一種新型礦用真空永磁控制器設計
摘要 針對各種礦用永磁機構(gòu)真空斷路器的控制需求,實現(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軟件一體化設計,電源采用寬范圍輸入、恒壓恒流輸出的開關(guān)電源設計,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;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作,并有較強的抗干擾能力。在傳統(tǒng)操動機構(gòu)中,電氣控制與驅(qū)動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,維護工作量大。隨著電子技術(shù)的進步,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電式繼電器和有觸點的輔助開關(guān)等部件實現(xiàn)對斷路器的控制與驅(qū)動。在永磁操動機構(gòu)中,由于其結(jié)構(gòu)特點,用電子式控制方式比傳統(tǒng)的控制方式更加可靠。設計采用CPLD控制指令的輸出來實現(xiàn)合/分閘操作、合/分互鎖功能,欠壓保護、過壓保護、延時保護等功能,提高控制系統(tǒng)的智能化,避免了操作的誤動作,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
永磁操動機構(gòu)是近年發(fā)展起來的一種新型操動機構(gòu)。這種機構(gòu)將電磁鐵與永久磁鐵有機地結(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)的機械脫扣、鎖扣裝置。該機構(gòu)體積較小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡單,使斷路器動作可靠性大大提高。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)永磁機構(gòu)。
設計的永磁機構(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計。設計采用自適應的放電方式和原始時間相結(jié)合,在用CPLD控制電容給線圈的放電時間。輸出驅(qū)動采用三極管和IGBT組成的無觸點電路完成。并且有獨立的放電電路,在斷電后迅速釋放電容上的能量。
2 永磁控制器的設計
整個永磁控制系統(tǒng)主要由5部分組成:電源部分、時鐘產(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)動模塊。整個系統(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、判斷和輸出時間控制等功能;信號輸出驅(qū)動模塊主要是合/分閘指令的輸出和信號隔離處理驅(qū)動;時鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理時鐘,使得系統(tǒng)能夠精確地控制能量的輸出,保證永磁機構(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 電源模塊設計
電源是整個控制系統(tǒng)的心臟,電源的可靠性和抗干擾能力決定了整個系統(tǒng)的可靠性,所以設計采用寬范圍輸入的開關(guān)電源設計,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/分閘操作采用儲能電容給永磁機構(gòu)的線圈供電,所以本系統(tǒng)所采用的是空載時恒壓和帶載時恒流的電源設計方案,實現(xiàn)了過充保護防止過充損壞元件,提高了系統(tǒng)的可靠性。電壓和電流連續(xù)可調(diào)滿足不同的上電時間要求。開關(guān)電源的模塊如圖2所示。
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