一種新型礦用真空永磁控制器設(shè)計(jì)

摘要 針對各種礦用永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的控制需求，實(shí)現(xiàn)了基于CPLD的新型智能礦用真空永磁控制器。采用全電子電路無觸點(diǎn)軟件一體化設(shè)計(jì)，電源采用寬范圍輸入、恒壓恒流輸出的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，電壓和電流連續(xù)可調(diào)，具有較高的可靠性；用三極管和IGBT組成的電子開關(guān)通斷來控制合／分閘的能量，使輸出能量可控、可調(diào)，保證了礦井的安全和斷路器可靠工作。
關(guān)鍵詞 智能控制；電子驅(qū)動(dòng)；斷路器；開關(guān)電源

    永磁控制器是永磁真空斷路器的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能優(yōu)劣對斷路器的性能影響較大。隨著工業(yè)發(fā)展對用電安全要求的不斷提高，永磁真空斷路器的可靠性越來越得到重視，因此安全可靠的控制器具有很大的發(fā)展空間。永磁控制器的主要目的是為永磁真空斷路器提供可靠的動(dòng)作，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。在傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電氣控制與驅(qū)動(dòng)部分采用繼電器式的控制方式，其控制線路簡單，但控制單元體積較大，零部件壽命較短，維護(hù)工作量大。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電力電子器件性能和參數(shù)的提高，可用電子元器件代替機(jī)電式繼電器和有觸點(diǎn)的輔助開關(guān)等部件實(shí)現(xiàn)對斷路器的控制與驅(qū)動(dòng)。在永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用電子式控制方式比傳統(tǒng)的控制方式更加可靠。設(shè)計(jì)采用CPLD控制指令的輸出來實(shí)現(xiàn)合／分閘操作、合／分互鎖功能，欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、延時(shí)保護(hù)等功能，提高控制系統(tǒng)的智能化，避免了操作的誤動(dòng)作，提高了永磁斷路器的可靠性，從而保證了礦井下的用電安全。

1 永磁控制器的原理
    永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是近年發(fā)展起來的一種新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)將電磁鐵與永久磁鐵有機(jī)地結(jié)合在一起，利用永久磁鐵產(chǎn)生的磁力將真空斷路器保持在合閘位置或分閘位置，而無需任何傳統(tǒng)的機(jī)械脫扣、鎖扣裝置。該機(jī)構(gòu)體積較小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單，使斷路器動(dòng)作可靠性大大提高。目前，在結(jié)構(gòu)上有雙線圈式、單線圈式和分磁路式3種形式，前兩種形式稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。
    設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)采用雙線圈結(jié)構(gòu)，永磁控制器主要是根據(jù)合閘和分閘所要求的不同電磁力而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)的放電方式和原始時(shí)間相結(jié)合，在用CPLD控制電容給線圈的放電時(shí)間。輸出驅(qū)動(dòng)采用三極管和IGBT組成的無觸點(diǎn)電路完成。并且有獨(dú)立的放電電路，在斷電后迅速釋放電容上的能量。

2 永磁控制器的設(shè)計(jì)
    整個(gè)永磁控制系統(tǒng)主要由5部分組成：電源部分、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、識別判斷處理控制部分、輸入隔離模塊和輸出驅(qū)動(dòng)模塊。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

    輸入信號隔離包括合／分指令輸入、斷路器狀態(tài)位輸入、欠壓保護(hù)輸入和斷電信號輸入等信號調(diào)理隔離處理電路。CPLD芯片主要完成信號的判斷比較、判斷和輸出時(shí)間控制等功能；信號輸出驅(qū)動(dòng)模塊主要是合／分閘指令的輸出和信號隔離處理驅(qū)動(dòng)；時(shí)鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理時(shí)鐘，使得系統(tǒng)能夠精確地控制能量的輸出，保證永磁機(jī)構(gòu)工作的可靠性；電源主要是用來給系統(tǒng)供電和電容充電。
2．1 電源模塊設(shè)計(jì)
    電源是整個(gè)控制系統(tǒng)的心臟，電源的可靠性和抗干擾能力決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，所以設(shè)計(jì)采用寬范圍輸入的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性和安全性。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。由于礦用斷路器合／分閘操作采用儲(chǔ)能電容給永磁機(jī)構(gòu)的線圈供電，所以本系統(tǒng)所采用的是空載時(shí)恒壓和帶載時(shí)恒流的電源設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了過充保護(hù)防止過充損壞元件，提高了系統(tǒng)的可靠性。電壓和電流連續(xù)可調(diào)滿足不同的上電時(shí)間要求。開關(guān)電源的模塊如圖2所示。

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    保護(hù)電路一般由壓敏電阻與保險(xiǎn)管組成，主要是防止當(dāng)外界有雷擊等突發(fā)情況時(shí)，產(chǎn)生的高壓通過電網(wǎng)傳入電源，對電源造成損害。當(dāng)加在壓敏電阻上的電壓超過其工作電壓時(shí)，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，保險(xiǎn)管會(huì)燒毀，從而保護(hù)后級電路。
    輸入濾波電路主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。
    整流濾波電路對輸入的交流電經(jīng)整流電路及電容濾波后得到直流電，方便后級電路處理和應(yīng)用。
    尖峰吸收電路：變壓器的原邊易產(chǎn)生尖峰電壓與尖峰電流，容易損壞芯片及一些元件，因此需要加上尖峰吸收電路，對電路進(jìn)行保護(hù)。
    反饋電路：為了有穩(wěn)定的輸出，需要將輸出再反饋給PWM控制器，通過調(diào)整占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。
    芯片供電電路：由于現(xiàn)在很多的芯片生產(chǎn)商開關(guān)電源芯片將PWM控制器及各種保護(hù)集成在芯片中，這在一定程度上減少了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)難度。只要設(shè)計(jì)相應(yīng)的芯片的外圍電路即可。
    變壓器：開關(guān)電源中的變壓器是整個(gè)電源的核心，它是DC／DC變換的關(guān)鍵。
2．2 時(shí)鐘設(shè)計(jì)
    采用專用芯片的典型電路，通過調(diào)整電阻和電容的大小，可以產(chǎn)生控制器所需的時(shí)序，電路圖如圖3所示。

    通過這個(gè)電路可以產(chǎn)生芯片所需的控制脈沖信號，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。
2．3 輸入隔離模塊設(shè)計(jì)
    輸入隔離模塊包括合／分閘信號輸入、斷電信號輸入、欠壓信號輸入和狀態(tài)位信號輸入。其中合／分閘輸入和狀態(tài)位輸入采用同一種電路結(jié)構(gòu)，簡化了設(shè)計(jì)的難度。具體如圖4所示。

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    濾波保護(hù)模塊主要是由電容和二極管組成，防止合分閘按鈕有毛刺，電容吸收毛刺，二極管鉗位保護(hù)CPLD。光耦隔離用來隔離模擬地和數(shù)字地，有效地防止干擾信號進(jìn)入，保證斷路器工作的可靠性。分流濾波電路由電容和電阻組成，保護(hù)CPLD的管腳。斷電信號、欠壓信號和過壓信號輸入采用如圖5所示的電路模型。采樣電路主要是對交流信號進(jìn)行分壓處理，方便后級電路處理。整流濾波電路是由整流橋和電容組成，作用是將交流信號變換成直流并減少紋波。

2．4 識別判斷處理控制部分
    控制部分采用CPLD軟件編程控制，通過編程實(shí)現(xiàn)控制器的各種功能，軟件的流程和控制方案如圖6所示。

    軟件中對合／分閘信號進(jìn)行了防抖動(dòng)處理，確保控制器的操作可靠。
2．5 輸出驅(qū)動(dòng)模塊
    輸出驅(qū)動(dòng)模塊包括合閘驅(qū)動(dòng)輸出和分閘驅(qū)動(dòng)輸出。驅(qū)動(dòng)輸出電路如圖7所示。

    三極管驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)三極管和電阻組成，主要是給IGBT提供驅(qū)動(dòng)電壓信號。鉗位電路保護(hù)IGBT柵極電壓的穩(wěn)定，吸尖峰電路主要是吸收IGBT導(dǎo)通與閉合瞬間產(chǎn)生的高壓毛刺，使IGBT可靠工作。

3 結(jié)束語
    通過軟件仿真和驗(yàn)證，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的邏輯正確性，并接在高壓斷路器上用脈沖群干擾源對控制器的電源和信號線進(jìn)行干擾試驗(yàn)，控制器功能正常，斷路器沒有誤動(dòng)作。
    研制的基于CPLD的永磁控制器不僅實(shí)現(xiàn)了合／分閘操作，而且實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)、欠壓閉鎖、合／分互鎖等功能。在控制器中用開關(guān)穩(wěn)流電源對儲(chǔ)能電容充電，用CPLD實(shí)現(xiàn)智能邏輯控制，用三極管和IGBT為主組成的電子開關(guān)的通斷來控制合／分閘的能量，使輸出能量可控、可調(diào)。輸入輸出處理單元和CPLD之間采用了光電耦合。設(shè)計(jì)中考慮了干擾，所以不同電源之間的地線都進(jìn)行了隔離，又在電源和地之間加入了濾波電容，有效地防止了干擾。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和開關(guān)電源的可控、可調(diào)，并且軟件可以控制合／分閘的準(zhǔn)確時(shí)間，使得線圈能量和電流可控、可調(diào)，可以適用于不同的永磁真空斷路器。