孫建軍， 孫長(zhǎng)海， 巴 宇， 張穎杰， 莊 海

(大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

0 引 言

觸頭運(yùn)動(dòng)速度是影響斷路器性能的重要指標(biāo)。斷路器分合閘時(shí)，間隙內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓電弧，如果觸頭運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢，將使電弧燃燒時(shí)間加長(zhǎng)，縮短觸頭的使用壽命[1-4]；而觸頭的運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，動(dòng)能加大，會(huì)多次發(fā)生碰撞，以至于動(dòng)、靜觸頭焊接在一起無(wú)法正常分開(kāi)，這一現(xiàn)象稱為觸頭的熔焊[5-9]。因此有必要研究斷路器的分合閘速度，使斷路器處在最佳分合閘性能下[10-11]。本文結(jié)合影響分合閘速度的主要因素，設(shè)計(jì)了硬件電路，完成了軟件編程、調(diào)試，并探討了相關(guān)因素對(duì)斷路器分合閘速度的影響，給出了具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 總體設(shè)計(jì)方案

真空斷路器的控制系統(tǒng)將單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)與永磁機(jī)構(gòu)控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器的準(zhǔn)確控制和保護(hù)[12-13]。斷路器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)的核心是AVR系列單片機(jī)中 ATmega16A 型單片機(jī)，與外圍電路相配合實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器永磁機(jī)構(gòu)的控制。根據(jù)各部分電路實(shí)現(xiàn)的功能，可以將電路分為電容器充放電模塊、主控模塊、電源模塊、通信模塊、控制器檢測(cè)模塊和顯示模塊。電容器充放電模塊：進(jìn)行電容器的充電，并由電容器提供斷路器分、合閘需要的能量。主控模塊：是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的主要作用是將各種從其他模塊獲得的信號(hào)進(jìn)行判斷或運(yùn)算，并且輸出各種指令至其他模塊，起到控制和運(yùn)算作用。電源模塊：提供設(shè)計(jì)中使用到的各種芯片的正常工作電壓。 通信模塊：使單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間能夠正常的通信。控制器檢測(cè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)分閘、合閘信號(hào)、電容電壓信號(hào)以及IGBT驅(qū)動(dòng)故障信號(hào)進(jìn)行采集處理。顯示模塊：顯示斷路器分合閘狀態(tài)以及電容電壓的狀態(tài)。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

主電路主要包括電容器充電電路和電容器向機(jī)構(gòu)線圈放電主電路，分別如圖2、3所示。電容器的電壓在設(shè)計(jì)中的指標(biāo)是0～350 V可調(diào)，所以電容器充電主電路首先經(jīng)過(guò)升壓變壓器T1將220 V的交流輸入電壓升至300 V，保證電容器電壓能充至最高350 V而不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。升壓后經(jīng)過(guò)D1～D44個(gè)二極管組成的單相橋式不可控整流電路整流后向電容器充電，考慮到?jīng)_擊電流對(duì)電容器的影響，所以在電路中加入了R1=500 Ω的限流電阻，確保充電時(shí)的最大沖擊電流小于電容的最大允許沖擊電流。電容器為2個(gè)10 mF的電容器并聯(lián)，電容器額定電壓450 V，保證了電容器兩端的電壓在可調(diào)范圍內(nèi)且留有一定的余量。電容器兩端的電壓大小由開(kāi)關(guān)S1閉合的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，開(kāi)關(guān)S1閉合時(shí)間長(zhǎng)則電容充電時(shí)間越長(zhǎng)，電容器兩端電壓也越高。開(kāi)關(guān)S2與電阻R2構(gòu)成了電容獨(dú)立的放電回路，當(dāng)電容器兩端的電壓高于所需要的電壓值時(shí)或者做完實(shí)驗(yàn)后為保證設(shè)備、人身安全需要將電容器電壓降為0 V時(shí)，可將S2閉合，電容器存儲(chǔ)的能量就會(huì)消耗在R2上，電容器兩端的電壓便會(huì)降低至需要的值或0 V。

圖2 電容器充電電路

圖3 電容器放電電路

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

處理器是控制系統(tǒng)的核心，它需要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，完成顯示、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)等功能?？紤]到控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合對(duì)單片機(jī)的價(jià)格、引腳功能、運(yùn)行處理速度、存儲(chǔ)器容量等方面的綜合考慮，設(shè)計(jì)中采用ATMEL公司生產(chǎn)的 ATmega16A型 AVR單片機(jī)作為控制核心[14-15]。最小系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中的通信電路設(shè)計(jì)如圖5所示，MAX232 芯片的 R2OUT 引腳接單片機(jī)的 RXD(PD0)引腳，T2IN 引腳接單片機(jī)的 TXD(PD1)引腳，T2OUT 引腳接 RS-232 通信接口的 RXD，R2IN 引腳接 RS-232 通信接口的 TXD。因?yàn)?MAX232 芯片本身具有驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，所以不需外加其他驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 通信電路原理圖

控制器檢測(cè)的輸入信號(hào)主要是斷路器分合閘信號(hào)、電容電壓信號(hào)和IGBT驅(qū)動(dòng)光耦故障輸出信號(hào)。分閘、合閘輸入信號(hào)由兩個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)S2、S3輸入。如圖6所示，S2為合閘開(kāi)關(guān)，S3為分閘開(kāi)關(guān)。沒(méi)有分合閘信號(hào)輸入時(shí)單片機(jī)PC6、PC7口輸入的是高電平，當(dāng)需要合(分)閘操作時(shí)，按下按鈕開(kāi)關(guān)S2(S3)，單片機(jī)的PC6(PC7)引腳便接地，輸入低電平。單片機(jī)檢測(cè)到PC6(PC7)口的電平變化，便發(fā)出設(shè)定好的IGBT的導(dǎo)通觸發(fā)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)合(分)閘操作。本設(shè)計(jì)利用了軟件處理去抖的方法，所以分閘、合閘信號(hào)輸入的電路設(shè)計(jì)不需要考慮按鈕開(kāi)關(guān)的去抖處理。當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)光耦HCPL316J檢測(cè)到IGBT的集電極和發(fā)射極電壓的飽和壓降超過(guò)7V時(shí)，F(xiàn)AULT引腳的電平會(huì)拉低，供單片機(jī)外中斷使用，從而達(dá)到保護(hù)IGBT的作用。IGBT驅(qū)動(dòng)及故障輸出信號(hào)檢測(cè)輸入電路圖7所示，設(shè)計(jì)中共有4個(gè)IGBT故障輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)4與門芯片74HC08芯片后，只要有1個(gè)IGBT的集電極與發(fā)射級(jí)間飽和壓降超過(guò)7 V，單片機(jī)的PA2口便會(huì)接收到低電平的故障信號(hào)。

圖6 分合閘信號(hào)輸入電路

圖7 IGBT驅(qū)動(dòng)光耦故障信號(hào)檢測(cè)輸入電路

電容電壓檢測(cè)電路如圖8所示，電容兩端的電壓經(jīng)過(guò)分壓后經(jīng)光耦隔離輸出。HCNR200芯片是一個(gè)線性光耦芯片，最大隔離電壓可達(dá)1.4 kV。設(shè)計(jì)時(shí)取R53與R55分別為220、200 kΩ，這樣線性光耦只隔離不放大，輸入和輸出的電壓大小相等。由于HCNR200手冊(cè)推薦的器件工作電流是25 mA，而VCC為5 V，計(jì)算R54為5 V/25 mA=200 Ω，實(shí)際取值300 Ω，最后輸出電壓信號(hào)到單片機(jī)的PA0(ADC0)口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖8 電容電壓檢測(cè)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序分4個(gè)模塊，如圖9所示。主程序初始化，讀取程序狀態(tài)字，調(diào)用各個(gè)模塊?？刂谱州斎肽K：將控制字從電腦端輸入到單片機(jī)端，再由其他模塊讀取控制字對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。故障處理模塊：對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行采集、處理，保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。合閘模塊：合閘模塊需要對(duì)外部輸入的合閘信號(hào)進(jìn)行采集，還需要對(duì)電容電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在合閘信號(hào)輸入且電容電壓足夠時(shí)根據(jù)控制字生成合閘PWM波，導(dǎo)通IGBT使真空斷路器的永磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘操作。分閘模塊：分閘模塊需要對(duì)外部輸入的分閘信號(hào)進(jìn)行采集，在分閘信號(hào)輸入時(shí)根據(jù)控制字生成分閘PWM波，導(dǎo)通IGBT使真空斷路器的永磁機(jī)構(gòu)分閘操作。

圖9 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 分合閘時(shí)間與電容電壓的關(guān)系

取合閘PWM波占空比為480/512，分閘PWM波占空比為460/512，將合閘放電時(shí)間與分閘放電時(shí)間都設(shè)置為40 ms，改變電容電壓分別為120、140、160、180、200 V，測(cè)取不同電容電壓下的合閘時(shí)間與分閘時(shí)間。每個(gè)電壓等級(jí)下測(cè)取3組數(shù)據(jù)，取平均值(保留一位小數(shù))，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)論的可靠性。測(cè)量斷路器合閘時(shí)間的波形如圖10所示。示波器1通道顯示輸入的合閘信號(hào)波形，2通道顯示是否合閘的波形(高電平代表合閘成功)，3通道顯示的是機(jī)構(gòu)線圈勵(lì)磁電流的波形。當(dāng)外部有合閘信號(hào)輸入時(shí)，合閘信號(hào)波形從高電平跳變?yōu)榈碗娖?圖中①處)， 斷路器開(kāi)始合閘操作。當(dāng)斷路器合閘成功，2通道便由低電平變?yōu)楦唠娖?圖中②處)。只要測(cè)量①處與②處的時(shí)間間隔，便可以計(jì)算斷路器的合閘時(shí)間。

圖10 斷路器合閘實(shí)驗(yàn)波形圖

測(cè)量斷路器分閘時(shí)間的波形如圖11所示。示波器1通道顯示輸入的分閘信號(hào)波形，2通道顯示是否分閘的波形(低電平代表分閘成功)，3通道顯示的是機(jī)構(gòu)線圈勵(lì)磁電流的波形(波形反向是由于電容反向向線圈放電)。當(dāng)外部有分閘信號(hào)輸入時(shí)，分閘信號(hào)波形便從高電平跳變?yōu)榈碗娖?圖中①處)，斷路器開(kāi)始分閘操作。當(dāng)斷路器分閘成功，2通道便由高電平變?yōu)榈碗娖?圖中②處)。只要測(cè)量①處與②處的時(shí)間間隔，便是斷路器的分閘時(shí)間。在不同電容電壓條件下測(cè)得的合閘時(shí)間與分閘時(shí)間分別如表1、2所示。

圖11 斷路器分閘實(shí)驗(yàn)波形圖

表1 合閘時(shí)間與電容電壓的關(guān)系

表2 分閘時(shí)間與電容電壓的關(guān)系

4.2 分合閘時(shí)間與放電時(shí)間的關(guān)系

調(diào)節(jié)電容電壓為140 V，取合閘PWM波占空比為480/512，分閘PWM波占空比為460/512，分別改變合閘放電時(shí)間、分閘放電時(shí)間分別為30、35、40、45、50 ms，測(cè)取不同分、合閘放電時(shí)間下的斷路器分閘時(shí)間與合閘時(shí)間。每個(gè)放電時(shí)間下測(cè)取 3組數(shù)據(jù)，取平均值(保留一位小數(shù))。不同放電時(shí)間條件下測(cè)得的合閘時(shí)間與分閘時(shí)間分別如表3、4所示。

表3 合閘時(shí)間與放電時(shí)間的關(guān)系

表4 分閘時(shí)間與放電時(shí)間的關(guān)系

4.3 分合閘時(shí)間與PWM占空比的關(guān)系

調(diào)節(jié)電容電壓為140 V，將合閘放電時(shí)間與分閘放電時(shí)間都設(shè)置為40 ms，分別改變合閘PWM波占空比、分閘PWM波占空比分別為300/512、350/512、400/512、450/512、500/512，測(cè)量不同合閘 PWM 波占空比下的合閘時(shí)間與不同分閘 PWM 占空比下的分閘時(shí)間。每個(gè) PWM 波占空比下測(cè)取 3組數(shù)據(jù)，取平均值(保留一位小數(shù))。在不同 PWM 波占空比條件下測(cè)得的合閘時(shí)間與分閘時(shí)間分別如表5、6所示。

表5 合閘時(shí)間與PWM占空比關(guān)系

表6 分閘時(shí)間與PWM占空比關(guān)系

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在合閘時(shí)間與合閘PWM波占空比相同的條件下，斷路器的合閘時(shí)間隨著電容電壓的增大而減小。分閘時(shí)間與分閘PWM波占空比相同的條件下，斷路器的分閘時(shí)間也隨著電容電壓的增大而減小。斷路器的合閘操作比分閘操作需要更多的能量，且同樣的電容電壓條件下，斷路器的分閘時(shí)間比合閘時(shí)間要短，這樣的結(jié)果與斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與理論相符。在電容電壓、PWM波占空比相同條件下，斷路器的分閘時(shí)間、合閘時(shí)間分別隨著分閘放電時(shí)間、合閘放電時(shí)間的增大而減小。在電容電壓、放電時(shí)間相同條件下，斷路器的分閘時(shí)間、合閘時(shí)間分別隨著分閘PWM波占空比、合閘PWM波占空比的增大而減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了10 kV真空斷路器的控制系統(tǒng)硬件，進(jìn)行了模塊化軟件編程。在此基礎(chǔ)上研究了分合閘時(shí)間幾個(gè)影響因素，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)具體數(shù)據(jù)。對(duì)斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)優(yōu)化具有實(shí)際意義。