一种新型矿用真空永磁控制器设计

摘要 针对各种矿用永磁机构真空断路器的控制需求，实现了基于CPLD的新型智能矿用真空永磁控制器。采用全电子电路无触点软件一体化设计，电源采用宽范围输入、恒压恒流输出的开关电源设计，电压和电流连续可调，具有较高的可靠性；用三极管和IGBT组成的电子开关通断来控制合／分闸的能量，使输出能量可控、可调，保证了矿井的安全和断路器可靠工作。
关键词 智能控制；电子驱动；断路器；开关电源

    永磁控制器是永磁真空断路器的关键设备之一，其性能优劣对断路器的性能影响较大。随着工业发展对用电安全要求的不断提高，永磁真空断路器的可靠性越来越得到重视，因此安全可靠的控制器具有很大的发展空间。永磁控制器的主要目的是为永磁真空断路器提供可靠的动作，并有较强的抗干扰能力。在传统操动机构中，电气控制与驱动部分采用继电器式的控制方式，其控制线路简单，但控制单元体积较大，零部件寿命较短，维护工作量大。随着电子技术的进步，电力电子器件性能和参数的提高，可用电子元器件代替机电式继电器和有触点的辅助开关等部件实现对断路器的控制与驱动。在永磁操动机构中，由于其结构特点，用电子式控制方式比传统的控制方式更加可靠。设计采用CPLD控制指令的输出来实现合／分闸操作、合／分互锁功能，欠压保护、过压保护、延时保护等功能，提高控制系统的智能化，避免了操作的误动作，提高了永磁断路器的可靠性，从而保证了矿井下的用电安全。

1 永磁控制器的原理
    永磁操动机构是近年发展起来的一种新型操动机构。这种机构将电磁铁与永久磁铁有机地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在合闸位置或分闸位置，而无需任何传统的机械脱扣、锁扣装置。该机构体积较小、零部件少、结构简单，使断路器动作可靠性大大提高。目前，在结构上有双线圈式、单线圈式和分磁路式3种形式，前两种形式称为双稳态永磁机构。
    设计的永磁机构采用双线圈结构，永磁控制器主要是根据合闸和分闸所要求的不同电磁力而设计。设计采用自适应的放电方式和原始时间相结合，在用CPLD控制电容给线圈的放电时间。输出驱动采用三极管和IGBT组成的无触点电路完成。并且有独立的放电电路，在断电后迅速释放电容上的能量。

2 永磁控制器的设计
    整个永磁控制系统主要由5部分组成：电源部分、时钟产生模块、识别判断处理控制部分、输入隔离模块和输出驱动模块。整个系统的框图如图1所示。

    输入信号隔离包括合／分指令输入、断路器状态位输入、欠压保护输入和断电信号输入等信号调理隔离处理电路。CPLD芯片主要完成信号的判断比较、判断和输出时间控制等功能；信号输出驱动模块主要是合／分闸指令的输出和信号隔离处理驱动；时钟产生模块产生数据处理时钟，使得系统能够精确地控制能量的输出，保证永磁机构工作的可靠性；电源主要是用来给系统供电和电容充电。
2．1 电源模块设计
    电源是整个控制系统的心脏，电源的可靠性和抗干扰能力决定了整个系统的可靠性，所以设计采用宽范围输入的开关电源设计，增加了系统的可靠性和安全性。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。由于矿用断路器合／分闸操作采用储能电容给永磁机构的线圈供电，所以本系统所采用的是空载时恒压和带载时恒流的电源设计方案，实现了过充保护防止过充损坏元件，提高了系统的可靠性。电压和电流连续可调满足不同的上电时间要求。开关电源的模块如图2所示。

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    保护电路一般由压敏电阻与保险管组成，主要是防止当外界有雷击等突发情况时，产生的高压通过电网传入电源，对电源造成损害。当加在压敏电阻上的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，保险管会烧毁，从而保护后级电路。
    输入滤波电路主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
    整流滤波电路对输入的交流电经整流电路及电容滤波后得到直流电，方便后级电路处理和应用。
    尖峰吸收电路：变压器的原边易产生尖峰电压与尖峰电流，容易损坏芯片及一些元件，因此需要加上尖峰吸收电路，对电路进行保护。
    反馈电路：为了有稳定的输出，需要将输出再反馈给PWM控制器，通过调整占空比，从而达到稳定输出的目的。
    芯片供电电路：由于现在很多的芯片生产商开关电源芯片将PWM控制器及各种保护集成在芯片中，这在一定程度上减少了开关电源的设计难度。只要设计相应的芯片的外围电路即可。
    变压器：开关电源中的变压器是整个电源的核心，它是DC／DC变换的关键。
2．2 时钟设计
    采用专用芯片的典型电路，通过调整电阻和电容的大小，可以产生控制器所需的时序，电路图如图3所示。

    通过这个电路可以产生芯片所需的控制脉冲信号，控制整个系统的正常工作。
2．3 输入隔离模块设计
    输入隔离模块包括合／分闸信号输入、断电信号输入、欠压信号输入和状态位信号输入。其中合／分闸输入和状态位输入采用同一种电路结构，简化了设计的难度。具体如图4所示。

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    滤波保护模块主要是由电容和二极管组成，防止合分闸按钮有毛刺，电容吸收毛刺，二极管钳位保护CPLD。光耦隔离用来隔离模拟地和数字地，有效地防止干扰信号进入，保证断路器工作的可靠性。分流滤波电路由电容和电阻组成，保护CPLD的管脚。断电信号、欠压信号和过压信号输入采用如图5所示的电路模型。采样电路主要是对交流信号进行分压处理，方便后级电路处理。整流滤波电路是由整流桥和电容组成，作用是将交流信号变换成直流并减少纹波。

2．4 识别判断处理控制部分
    控制部分采用CPLD软件编程控制，通过编程实现控制器的各种功能，软件的流程和控制方案如图6所示。

    软件中对合／分闸信号进行了防抖动处理，确保控制器的操作可靠。
2．5 输出驱动模块
    输出驱动模块包括合闸驱动输出和分闸驱动输出。驱动输出电路如图7所示。

    三极管驱动电路由两个三极管和电阻组成，主要是给IGBT提供驱动电压信号。钳位电路保护IGBT栅极电压的稳定，吸尖峰电路主要是吸收IGBT导通与闭合瞬间产生的高压毛刺，使IGBT可靠工作。

3 结束语
    通过软件仿真和验证，验证了控制系统的逻辑正确性，并接在高压断路器上用脉冲群干扰源对控制器的电源和信号线进行干扰试验，控制器功能正常，断路器没有误动作。
    研制的基于CPLD的永磁控制器不仅实现了合／分闸操作，而且实现了欠压保护、欠压闭锁、合／分互锁等功能。在控制器中用开关稳流电源对储能电容充电，用CPLD实现智能逻辑控制，用三极管和IGBT为主组成的电子开关的通断来控制合／分闸的能量，使输出能量可控、可调。输入输出处理单元和CPLD之间采用了光电耦合。设计中考虑了干扰，所以不同电源之间的地线都进行了隔离，又在电源和地之间加入了滤波电容，有效地防止了干扰。由于系统设计的灵活性和开关电源的可控、可调，并且软件可以控制合／分闸的准确时间，使得线圈能量和电流可控、可调，可以适用于不同的永磁真空断路器。