甄旭峰，蘇安社，王俊峰，吳榮平，楊建明

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京100176）

隨著我國鐵路的發(fā)展，電力機(jī)車數(shù)量在急劇上升，因而電力機(jī)車用真空主斷路器的可靠性要求也越來越高。永磁機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于真空斷路器的驅(qū)動(dòng)。它克服了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了真空斷路器的優(yōu)點(diǎn)［1］，為研制新一代免維護(hù)斷路器奠定了基礎(chǔ)。

1 永磁機(jī)構(gòu)斷路器構(gòu)成及原理

電力機(jī)車用永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器，包括真空泡、上絕緣子、下絕緣子、連接桿、儲(chǔ)能電容、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器，如圖1所示。真空泡內(nèi)裝有靜觸頭及動(dòng)觸頭，動(dòng)觸頭與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁鐵構(gòu)成直動(dòng)式結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡單、零部件少，而且可靠性高、易于安裝。永磁機(jī)構(gòu)中動(dòng)磁體帶動(dòng)連接桿的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使真空泡動(dòng)靜觸頭閉合或斷開。

圖1 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器結(jié)構(gòu)圖

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)采用單個(gè)線圈，與雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)相比體積更小、所需操作功率也小。當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于分閘位置時(shí)，線圈中無電流，動(dòng)鐵芯與靜鐵芯分離，且具有一定的距離，動(dòng)鐵芯受到永磁體的吸力很小，分閘彈簧使動(dòng)鐵芯保持在分閘位置。當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)處于合閘位置時(shí)，動(dòng)鐵芯和靜鐵芯接觸在一起，線圈中無電流，永磁體產(chǎn)生的吸力使機(jī)構(gòu)保持在合閘位置，分閘彈簧處壓縮狀態(tài)。

當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)斷路器分閘時(shí)，控制器控制儲(chǔ)能電容快速放電，使線圈流過大電流，線圈在動(dòng)鐵芯處產(chǎn)生的磁場與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場方向相反，減小動(dòng)鐵芯受到的向上吸力，隨著線圈電流的增大，動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力逐漸減小，當(dāng)電磁吸力小于彈簧的壓力時(shí)，動(dòng)鐵芯就會(huì)在彈簧壓力的作用下，帶動(dòng)拉桿完成分閘動(dòng)作。當(dāng)機(jī)構(gòu)需要合閘時(shí)，控制器控制線圈通過與分閘時(shí)相反方向的電流，使動(dòng)鐵芯處產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，由此而產(chǎn)生的電磁吸力帶動(dòng)動(dòng)鐵芯及動(dòng)觸頭完成合閘動(dòng)作，并使分閘彈簧儲(chǔ)能。

2 控制器的硬件及程序設(shè)計(jì)

永磁機(jī)構(gòu)控制器主要由電源模塊、CPU控制模塊、信號(hào)處理模塊、電容電壓檢測模塊、分合閘驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊等組成，其原理框圖見圖2。

圖2 永磁機(jī)構(gòu)控制器的原理框圖

單片機(jī)PIC18F25K24在接到合閘命令后，首先通過輔助開關(guān)判斷斷路器的分合狀態(tài)，若斷路器處于分閘狀態(tài)，且儲(chǔ)能電容的電壓大于設(shè)定值，則使其中一組IGBT導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容正、負(fù)極分別與永磁機(jī)構(gòu)的正、負(fù)極接通，儲(chǔ)能電容瞬間放電，使得永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作，斷路器閉合；反之，單片機(jī)PIC18F25K24在接到分閘命令時(shí)，使另一組IGBT導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容正、負(fù)極分別與永磁機(jī)構(gòu)的負(fù)、正極接通，儲(chǔ)能電容瞬間放電，使得永磁機(jī)構(gòu)向相反的方向動(dòng)作，斷路器斷開。

永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作需要在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較大的直流脈沖電流［2］。本裝置采用直流開關(guān)電源，穩(wěn)定儲(chǔ)能電容電壓，同時(shí)給控制模塊供電，這樣就避免了因儲(chǔ)能電容電壓不穩(wěn)定給永磁機(jī)構(gòu)斷路器造成性能降低的問題。同時(shí)，精確地設(shè)置合閘及分閘時(shí)間，控制斷路器的合閘速度，消除了合閘時(shí)動(dòng)觸頭的彈跳時(shí)間，提高了斷路器的機(jī)械及電氣壽命［3］。

為了保證斷路器在電源發(fā)生故障時(shí)仍能正常工作，在電路設(shè)計(jì)上利用儲(chǔ)能電容的剩余電量給控制模塊供電，滿足短時(shí)間內(nèi)控制單元繼續(xù)工作的要求。圖3為儲(chǔ)能電容及分、合閘主電路。

圖3 儲(chǔ)能電容充電及分、合閘主電路

通過設(shè)定控制器導(dǎo)通其中一組IGBT的時(shí)間［4］，來控制流過線圈繞組電流及電磁力，進(jìn)而控制動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度，動(dòng)鐵芯與動(dòng)觸頭通過連接桿直動(dòng)式連接，最終達(dá)到控制真空泡中動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度的目的。在調(diào)試現(xiàn)場，可以根據(jù)測試的波形及顯示模塊的數(shù)據(jù)，方便地調(diào)節(jié)分、合閘時(shí)間。圖4和圖5為用示波器及位移傳感器測得的斷路器合閘及分閘時(shí)觸頭的動(dòng)作曲線及永磁機(jī)構(gòu)的位移曲線。

圖4 斷路器的合閘曲線

圖5 斷路器的分閘曲線

3 結(jié)束語

以單片機(jī)PIC18F25K24為核心構(gòu)成的永磁機(jī)構(gòu)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，通過外部命令及信息的反饋，避免了斷路器誤動(dòng)作，提高了安全性及可靠性。永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器經(jīng)過25萬次的機(jī)械動(dòng)作測試，動(dòng)作可靠，可以滿足工作要求。

［1］林 莘．永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［2］鄒洪超，婁建勇，榮命哲．單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)接觸器三維磁場分析和電磁吸力的計(jì)算［J］．低壓電器，2004（3）：12－15．

［3］游一民，鄭 軍，羅文科．永磁機(jī)構(gòu)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］．高壓電器，2001，37（1）：44－48．

［4］顏世剛，張承慧．電力電子技術(shù)問答［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．