車(chē) 煥（營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧營(yíng)口，115000）

?

斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘保持力補(bǔ)償方法的研究

車(chē) 煥
（營(yíng)口理工學(xué)院，遼寧營(yíng)口，115000）

摘要：新型電力機(jī)車(chē)主斷路器用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于合閘位置時(shí)，其保持力由一組保持線圈勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)。由于機(jī)車(chē)上電源電壓波動(dòng)大且機(jī)車(chē)工作環(huán)境溫度變化大，此保持力的變化范圍非常大。為了穩(wěn)定合閘時(shí)的保持力，保證電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作，提出采用直流斬波的方法對(duì)合閘保持力進(jìn)行補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：斷路器；電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；補(bǔ)償

本文系“青年項(xiàng)目自然科學(xué)”課題研究，編號(hào)：QNL201535

0　引言

新設(shè)計(jì)的電力機(jī)車(chē)主斷路器用電磁操作機(jī)構(gòu)，其合閘保持力采用了給保持線圈激勵(lì)的方式來(lái)提供。溫度和控制電壓對(duì)這個(gè)合閘保持力的影響非常大，如果不對(duì)此時(shí)的保持力進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，將影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的性能。本文詳細(xì)分析了溫度和控制電壓對(duì)合閘保持力的影響，并提出采用斬波電路的方式對(duì)合閘保持力進(jìn)行補(bǔ)償。

1　電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

新型電磁機(jī)構(gòu)由動(dòng)鐵心、靜鐵芯、合閘線圈、保持線圈組成。合閘時(shí)給合閘線圈通電后，動(dòng)靜鐵心之間產(chǎn)生電磁吸力，動(dòng)鐵心帶動(dòng)觸頭及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又分閘位置向合閘位置運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜鐵心閉合，實(shí)現(xiàn)合閘操作。在合閘線圈的驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)鐵心由分閘位置運(yùn)動(dòng)到合閘位置，由于為了在較短的時(shí)間內(nèi)獲得較大的操作功，動(dòng)鐵心的阻抗很小，且由合閘操作是由儲(chǔ)能電容提供操作能量，動(dòng)鐵心合閘后，電容器的容量基本泄放掉了，所以采用一組保持線圈提供磁場(chǎng)能量，使動(dòng)鐵心保持在合閘位置上，保持線圈直接由機(jī)車(chē)電源供電。分閘時(shí)依靠分閘彈簧在合閘過(guò)程中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能來(lái)實(shí)現(xiàn)分閘操作。

2　合閘保持力的影響因數(shù)分析

由機(jī)構(gòu)工作原理我們可以知道，電磁機(jī)構(gòu)的合閘保持力是由給保持線圈提供勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)保持力的計(jì)算公式為：

由式（3.2）可以看出控制電壓、線圈材料的溫度系數(shù)和工作氣隙將直接影響合閘保持力的大小。

（1）根據(jù)機(jī)車(chē)主斷路器的技術(shù)參數(shù)，直流電源的工作范圍70%-125%的額定電壓。由式3.2可知，電磁機(jī)構(gòu)的保持力和電壓是成平方的關(guān)系，當(dāng)電壓在這個(gè)范圍發(fā)生變化時(shí)保持保持力將會(huì)產(chǎn)生3倍多的波動(dòng)。

（2）溫度的變化會(huì)影響合閘保持力的大小。一方面溫度的變化會(huì)使線圈溫度系數(shù)發(fā)生變化，溫度升高時(shí)線圈溫度系數(shù)會(huì)變大，從而使合閘保持力減小。另一發(fā)面溫度的變化會(huì)使動(dòng)靜鐵芯產(chǎn)生熱脹冷縮的作用，從而導(dǎo)致電磁機(jī)構(gòu)處于合閘位置時(shí)的工作氣隙的大小發(fā)生變化，溫度升高時(shí)工作氣隙變小保持力會(huì)減小。

對(duì)于電磁機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)保持力過(guò)小時(shí)不能使機(jī)構(gòu)可靠的保持在合閘位置，而當(dāng)保持力過(guò)大時(shí)它又要影響分閘時(shí)間，所以有必要針對(duì)電源電壓和溫度的變化對(duì)合閘保持力進(jìn)行必要補(bǔ)償，使保持力穩(wěn)定在機(jī)構(gòu)要求的1400N。

3　合閘保持力的補(bǔ)償方法

溫度的大小無(wú)法調(diào)節(jié)，所以本文采用直流斬波的方法來(lái)調(diào)節(jié)電壓，從而來(lái)穩(wěn)定保持力。直流斬波電路有很多，本文采用SEPIC斬波電路， SEPIC （Single-Ended Primary Inductance Converter） 斬波電路具有對(duì)輸入電壓進(jìn)行升降壓轉(zhuǎn)換功能，可在輸出端得到恒定的電壓。

SEPIC斬波電路的原理圖如圖1所示。IGBT導(dǎo)通時(shí)，其等效電路如圖2所示，圖中V1、L1、IGBT組成一個(gè)回路，回路中流過(guò)電流IL1。在此電容C1等效于一個(gè)電壓源，C1、L2和IGBT組成另外一個(gè)回路，回路中電流IL2，兩個(gè)電流方向如圖2中箭頭所示，并在IGBT導(dǎo)通期間逐漸增大。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，IL1通過(guò)C1和二極管D流入到負(fù)載電阻RL和電容C2，IL2通過(guò)D流入到C2，當(dāng)電容處于充電狀態(tài)時(shí)，IL1和IL2都會(huì)線性下降，負(fù)載電流Io從C2流入到負(fù)載，電流方向如圖2中箭頭方向所示。

圖1　SEPIC斬波電路原理圖

圖2　IGBT導(dǎo)通時(shí)SEPIC斬波電路電流流向

圖3　IGBT關(guān)斷時(shí)SEPIC斬波電路電流流向

借助于圖2，圖3的幫助，我們可以推導(dǎo)出SEPIC電路的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)C1和C2上的電壓固定不變，二極管和IGBT的導(dǎo)通壓降可以忽略不計(jì)。當(dāng)SEPIC電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，那么在一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期中，電感的電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線在一個(gè)周期內(nèi)的積分等于零。

由圖2可以看出，當(dāng)電路工作在IGBT導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，L1與輸入電源并聯(lián)，其上的電壓等于VI，這一電壓一直持續(xù)到IGBT關(guān)斷，即時(shí)長(zhǎng)D×T， 將該電壓和持續(xù)時(shí)間相乘代表導(dǎo)通時(shí)電壓和時(shí)間的積分；由圖3可以看出，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，輸入電源、L1、C1和負(fù)載被串聯(lián)在一起，所以L1上的電壓為VC1＋VO-VI，這一電壓持續(xù)到IGBT重新導(dǎo)通，即時(shí)長(zhǎng)（1-D）×T，將該電壓和持續(xù)時(shí)間相乘代表了關(guān)斷時(shí)電壓和時(shí)間的積分。兩個(gè)積分相等，所以可以得到如下公式：

其中，VC1為C1上的電壓值；VI為輸入電源電壓；VO為輸出電壓，即負(fù)載上的電壓。

同上分析，在一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期中，L2在IGBT導(dǎo)通時(shí)其上的電壓和其持續(xù)時(shí)間的乘積等于IGBT關(guān)斷時(shí)L2上的電壓和其持續(xù)時(shí)間的乘積。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，L2和C1并聯(lián)，它們的電壓相等，即L2上的電壓為VC1，持續(xù)時(shí)間D×T；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，L2和負(fù)載并聯(lián)，它們的電壓相等，即L2上的電壓為VO，持續(xù)時(shí)間（1-D） ×T。所以可得到如下公式：

由公式（3.3）和（3.4）可得：

用VI替換公式（3.7）或（3.8）中的VC1，可得到SEPIC的傳遞函數(shù)為：

由公式（3.9）可知，當(dāng)0＜D＜0.5時(shí)，輸出電壓小于輸入電壓，SEPIC斬波電路產(chǎn)生降壓效果；當(dāng)0.5＜D＜1時(shí)，輸出電壓大于輸入電壓，SEPIC斬波電路產(chǎn)生升壓效果。所以我們只要控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的目的。

4　結(jié)語(yǔ)

本文分析了影響斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘保持力的影響因數(shù)，并采用直流斬波的方法對(duì)控制電壓進(jìn)行補(bǔ)償，從而來(lái)穩(wěn)定保持力，是斷路器工作更加可靠，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

郭潤(rùn)睿，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流變換器的研究.天津：天津理工大學(xué)，2008.

車(chē)煥（1982-），女，遼寧營(yíng)口人，學(xué)歷：碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能電器

Study on Electromagnetic Operating Mechanism Holding Force Compensation Method of Circuit Breaker

Che Huan
（Yingkou Institute of Technology，Yingkou，Liaoning，115000）

Abstract：When the new type electromagnetic operating mechanism using for electric locomotive main circuit breaker is in the closing position， its keeping force is provided by a group of holding coil . Because of power supply voltage on the locomotive and environment temperature of the locomotive all changes greatly.In order to stabilize the keeping force， guarantee the stability of electromagnetic operating mechanism， a dc chopper method is proposed to compensate keeping force.

Keywords：circuit breaker; electromagnetic operating mechanism; compensate

作者簡(jiǎn)介