車　煥馬少華饒　攀

（1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)　110023；2. 株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲　412001）

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軌道交通真空斷路器電磁機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)

車煥1馬少華1饒攀2

（1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)110023；2. 株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲412001）

本文介紹了一種基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的軌道交通用真空斷路器電磁機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)。利用 PIC16F873A單片機(jī)為主控芯片對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁機(jī)構(gòu)的智能控制。

軌道交通真空斷路器；電磁機(jī)構(gòu)；IGBT

TDV10真空斷路器目前配用的是氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中容易出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象，使機(jī)構(gòu)的可靠性得不到保障。因此設(shè)計(jì)了新型的單穩(wěn)態(tài)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)代替原有的氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)由動(dòng)鐵心、靜鐵心、合閘線圈和保持線圈組成，此機(jī)構(gòu)合閘過(guò)程要克服的機(jī)械反力比較大，并且要保證一定的合閘速度，所以采用了電容儲(chǔ)能勵(lì)磁。合閘前預(yù)先給大電容充上足夠的電壓，合閘過(guò)程中依靠電容的放電電流來(lái)給線圈勵(lì)磁。

本文針對(duì)該電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究設(shè)計(jì)了基于 PIC單片機(jī)的控制系統(tǒng)，保證電容器在斷路器要求的時(shí)間內(nèi)充上足夠的電能并在線檢測(cè)開(kāi)斷過(guò)程中的電壓、電流等參數(shù)。將此控制系統(tǒng)安裝在TDV10真空斷路器上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試其合分閘時(shí)間、合分閘速度等參數(shù)，證明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)滿足斷路器的要求。

1　電磁機(jī)構(gòu)控制器總體設(shè)計(jì)

控制器總體方案如圖1所示。直流電壓 DC 110V由機(jī)車提供，通過(guò)電容充電控制單元向儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容上的電壓值達(dá)到設(shè)定的電壓值（DC 400V）時(shí)，PIC單片機(jī)發(fā)出指令，停止向儲(chǔ)能電容充電，儲(chǔ)能電容為合閘線圈提供合閘操作所需要的能量。PIC單片機(jī)檢測(cè)并接收機(jī)車上給出的合分閘控制信號(hào)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的分析和處理，由PIC單片機(jī)發(fā)出合分閘控制信號(hào)經(jīng)過(guò)合分閘邏輯判斷電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制IGBT關(guān)斷。針對(duì)升壓電路部分，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比可以改變電磁機(jī)構(gòu)激磁線圈電流幅值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁機(jī)構(gòu)觸頭運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，以此來(lái)調(diào)節(jié)合分閘速度，使其達(dá)到斷路器要求范圍。

圖1　控制器總體方案圖

2　電磁機(jī)構(gòu)控制器的主驅(qū)動(dòng)電路

圖2為電磁機(jī)構(gòu)合閘線圈和保持線圈的主驅(qū)動(dòng)電路，圖中上面的電路是合閘線圈的驅(qū)動(dòng)電路，合閘線圈需要的勵(lì)磁電流比較大并且是短時(shí)工作，可以采用電容儲(chǔ)能激勵(lì)。機(jī)車上提供有足夠大功率的直流屏，因此可以省去復(fù)雜的電源模塊，直接將此110V電壓通過(guò)升壓電路提升到400V并將電能充到儲(chǔ)能電容上。升壓電路采用典型的DC-DC Boost升壓電路，由升壓電路的原理可知此電路的輸出電壓為：

式中，U0為電路的輸出電壓（這里為電容器上的電壓），ton和toff分別為充電時(shí)間內(nèi)IGBT VT1導(dǎo)通的時(shí)間和關(guān)斷的時(shí)間，E為直流電源電壓（這里是直流屏上的電壓 110）。由式（1）可以知道只要調(diào)節(jié)TGBT通斷的占空比就可以調(diào)節(jié)電容上的電壓大小，本控制器用單片機(jī)輸出PWM波形，通過(guò)調(diào)節(jié)其占空比來(lái)調(diào)節(jié)充電電壓的大小。

圖2　電磁機(jī)構(gòu)的主驅(qū)動(dòng)電路

IGBT屬于電壓型驅(qū)動(dòng)器件，由外部電路來(lái)控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。用來(lái)保證 IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷的電路就是驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)作用就是可以起到電氣隔離的功能。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主電路的核心是由IGBT構(gòu)成的升壓電路，IGBT的可靠驅(qū)動(dòng)是控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文根據(jù)主電路的要求，選用M57962L作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片。

采用M57962L的IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)電路的工作過(guò)程為：當(dāng) IGBT發(fā)生過(guò)電壓現(xiàn)象或者過(guò)電流現(xiàn)象，IGBT的集電極電壓將會(huì)達(dá)到15V甚至更高，而隔離二極管VD1、VD2此刻就會(huì)截止。如果要使IGBT截止，由于M57962L的1腳為15V高電平，則需將M57962L的5腳置為低電平，與此同時(shí)將8腳置為低電平，進(jìn)而光電耦合器開(kāi)始工作，并驅(qū)動(dòng)外接電路將輸入端13腳置為高電平。穩(wěn)壓二極管VZ1的作用是防止隔離二極管VD1、VD2擊穿，保護(hù)M57962L不受損壞。為了保證IGBT的基極不受擊穿，選擇 VZ2、VZ3組成限幅器來(lái)進(jìn)行保護(hù)。

圖3　IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖

3　充電電容電壓檢測(cè)電路

斷路器可靠合閘的前提條件是電容器的電壓達(dá)到要求，儲(chǔ)能電容能量不足時(shí)合閘會(huì)因動(dòng)作力不足而使合閘操作失敗。因此當(dāng)電容器電壓不足是應(yīng)該禁止合閘。充電電容電壓檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4　充電電容電壓檢測(cè)電路

該電路的工作原理為：電路輸入端與儲(chǔ)能電容相連接，檢測(cè)到的儲(chǔ)能電容兩端電壓值范圍在 0～400V，電壓信號(hào)經(jīng)由一個(gè)霍爾電壓傳感器，變?yōu)殡娏餍盘?hào)，經(jīng)由電阻又變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)放大電路提供給單片機(jī)的信號(hào)是0～4V的電壓信號(hào)。

4　分合閘信號(hào)判斷電路

分合閘信號(hào)邏輯判斷電路中，RD2—RD4接收單片機(jī)發(fā)出的合分閘信號(hào)，其中RD2控制分閘線圈；RD3控制保持線圈；RD4控制合閘線圈。RC3作為狀態(tài)保護(hù)信號(hào)的輸入，始終為高電平信號(hào)。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則RC3給出低電平信號(hào)，分閘、合閘、保持線圈均不工作。RD1與PWM1控制升壓電路中的IGBT的開(kāi)斷和關(guān)合以及其占空比的調(diào)節(jié)。分合閘信號(hào)邏輯判斷電路如圖5所示。

5　電磁機(jī)構(gòu)控制器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

控制器設(shè)計(jì)完成后，為驗(yàn)證其是否滿足斷路器所要求的性能，將其與新設(shè)計(jì)的真空斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)配用，將TDV1真空斷路器現(xiàn)在所采用的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)卸掉，換上該電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)真空斷路器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滅弧室。

圖5　分合閘信號(hào)判斷電路

本次合分閘特性實(shí)驗(yàn)中，合閘特性實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試了主觸頭的合閘動(dòng)作時(shí)間和彈跳時(shí)間，此外還測(cè)試了合閘位移特性、合閘線圈的勵(lì)磁電流變化特性和合閘儲(chǔ)能電容的電壓特性。各參數(shù)的測(cè)量方法如下：

1）主觸頭的合閘動(dòng)作時(shí)間和彈跳時(shí)間。在斷路器主觸頭上串聯(lián)一個(gè)1k電阻，加24V直流電壓，測(cè)量斷口兩端的電壓，如果斷口兩端的電壓為24V，表明主觸頭處于分閘狀態(tài)；如果斷口兩端的電壓為0V，表明主觸頭處于合閘狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)信號(hào)，可以測(cè)出主觸頭的合閘動(dòng)作時(shí)間和彈跳時(shí)間。

2）合閘位移特性。將位移傳感器的光束打在滅弧室的驅(qū)動(dòng)部件上，利用位移傳感器將運(yùn)動(dòng)部件的位移轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓，再利用示波器的電壓探頭測(cè)出合閘位移特性。

3）合閘線圈的勵(lì)磁電流變化特性。在合閘線圈上套上電流差分探頭，利用示波器測(cè)量合閘線圈的勵(lì)磁電流變化特性。

4）合閘儲(chǔ)能電容的電壓變化特性。將電壓差分探頭夾在合閘儲(chǔ)能電容的電極上，利用示波器測(cè)量合閘儲(chǔ)能電容的電壓變化特性。

圖6是分合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各參數(shù)的波形圖，其中，通道一為合閘線圈的勵(lì)磁電流變化特性，通道二波形為合閘儲(chǔ)能電容的電壓特性，通道三波形為主觸頭斷口兩端的電壓，通道四波形為合閘位移特性。本實(shí)驗(yàn)合閘和分閘測(cè)試各做5次，得到五組數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得到分閘和合閘的時(shí)間見(jiàn)表1。由表中可以看出 5次的分合閘時(shí)間都在斷路器要求的20～60ms之內(nèi)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的控制器是合理的。

圖6　實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)波形圖

表1　分合閘時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

6　結(jié)論

本控制器是采用以 PIC16F873A為核心的控制系統(tǒng)，采用DC-DC升壓電路給電容充電，通過(guò)大功率 IGBT的可控關(guān)斷，控制大容量電容器電磁機(jī)構(gòu)磁機(jī)構(gòu)的分合閘線圈放電實(shí)現(xiàn)斷路器動(dòng)作，并對(duì)電容電壓、斷路器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的智能控制。

［1］ 王兆安，黃峻. 電力電子技術(shù)［M］. 北京︰機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］ 李朝青. PC 機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)［M］. 北京︰北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

The Design of Rail Transit Vacuum Circuit Breaker Electromagnetic Mechanism Controller

Che Huan1Ma Shaohua1Rao Pan2
（1. Shenyang University of Technology，Shenyang110023；2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd，Zhuzhou，Hu’nan412001）

This paper introduces the design of electromagnetic mechanism base on IGBT. The hardware is designed，using PIC16F873A as the master controller，which realize the intelligent control of electromagnetic mechanism.

rail transit vacuum circuit breaker；electromagnetic mechanism；IGBT

車煥（1982-），女，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)在讀博士，主要研究方向?yàn)橹悄茈娖鳌?/p>