基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器控制器設(shè)計(jì)

1、基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器 控制器設(shè)計(jì)陳建平 錢(qián)昱澎 （西安森源開(kāi)關(guān)技術(shù)研究所有限公司）2012.12【摘 要】 本文介紹了目前國(guó)內(nèi)高壓永磁斷路器常用的分、合閘線(xiàn)圈電源的使用方案及控制方法。指出了此種方法的缺陷,介紹了一種基于直流屏電源及PWM控制的方案?！娟P(guān)鍵詞】永磁斷路器; 直流屏; PWM; 運(yùn)動(dòng)控制; 控制器?！続bstract】 : This paper introduce high-voltage permanent magnet circuit breaker in common use coil power use-project and control metho

2、d in China。Indicate this method limitation, A design project of one kind based on DC power and PWM control was introduced。【Key words】: permanent magnet circuit breaker; DC power; PWM; movement control; controller。一、 引言在中壓真空斷路器領(lǐng)域目前主要有三種操動(dòng)機(jī)構(gòu):彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。前二種操動(dòng)機(jī)構(gòu)使用已經(jīng)相當(dāng)普遍,可靠性已達(dá)到了很高的水平,但也存在明顯的缺點(diǎn)。

3、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)存在零部件多,裝配精度要求高和機(jī)械磨損嚴(yán)重的缺點(diǎn);而電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合驅(qū)動(dòng)電流很大,需要有專(zhuān)用的直流電源。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種采用永磁保持、電子控制的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè),無(wú)需機(jī)械脫、鎖扣裝置,故障源少。因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐磨損、可靠性高等特點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電源單元還主要采用儲(chǔ)能電容器來(lái)為線(xiàn)圈供電, 電容器作為供電單元主要具有充電時(shí)間短、無(wú)需復(fù)雜的充電及保護(hù)電路。但電容器也有它致命的弱點(diǎn),由于經(jīng)過(guò)多次的充放電以及環(huán)境溫的影響,電容器的容量會(huì)下降,經(jīng)過(guò)實(shí)際使用測(cè)試,基本上過(guò)45年電容器需要更換。目前國(guó)內(nèi)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制主要采用單管IGBT方式,雖然

4、驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單,但是無(wú)法直接使用直流屏,對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)械特性的調(diào)試比較麻煩。本文所述的驅(qū)動(dòng)控制方案,既可采用直流屏(解決了儲(chǔ)能電容器的缺點(diǎn)),也可以對(duì)斷路器的合、分閘特性曲線(xiàn)進(jìn)行軟件調(diào)制,極大的提高了斷路器生產(chǎn)調(diào)試的效率。二、 VSM永磁控制器系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)VSM永磁控制器是與VSM永磁真空斷路器配套的智能控制單元,采用DC220V直流屏供電,主要完成斷路器的開(kāi)、斷控制?？刂破鞑捎酶咝阅艿?2位嵌入式處理器,采用PWM斬波數(shù)字調(diào)制方式,硬件采用IGBT電路方案,使控制分、合曲線(xiàn)更加平滑,可靠性更高。控制器中包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可以準(zhǔn)確記錄斷路器發(fā)生的操作情況。1、具有合閘、分閘功能斷路器的合、分閘操

5、作可通過(guò)遠(yuǎn)方控制臺(tái)的合閘、分閘AC/DC220V信號(hào)進(jìn)行,也可以通過(guò)斷路器面板的合閘、分閘按鈕完成。2、具有信號(hào)自動(dòng)判別功能當(dāng)合、分閘信號(hào)同時(shí)接收,控制器自動(dòng)閉鎖合閘信號(hào),響應(yīng)分閘信號(hào)。3、具有閉鎖功能當(dāng)兩臺(tái)或多臺(tái)斷路器聯(lián)機(jī)使用,要求具有合閘閉鎖功能,iSPM 500智能控制器具有此功能。4、具有合閘、分閘接近開(kāi)關(guān)位置監(jiān)測(cè)功能正常情況下, 斷路器應(yīng)可靠合閘、分閘,對(duì)應(yīng)的合閘或分閘接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)正確的合閘或分閘位置,控制器能自動(dòng)根據(jù)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)的正確的合閘或分閘位置響應(yīng)正常的合閘或分閘操作。當(dāng)出現(xiàn)異常情況, 斷路器未能可靠合閘而處于故障狀態(tài), 接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)不到合、分閘位置時(shí), 控制器具有立即發(fā)出分

6、閘信號(hào),并封鎖合閘信號(hào)的功能。5、具有防跳功能當(dāng)控制器接收到合閘信號(hào)并響應(yīng)合閘,機(jī)構(gòu)合閘到位后, 合閘信號(hào)不取消,此時(shí),又接收到分閘信號(hào),控制器立即響應(yīng)分閘信號(hào),分閘響應(yīng)以后,取消分閘信號(hào),此時(shí)合閘信號(hào)仍不取消,不應(yīng)該響應(yīng)合閘信號(hào),只有當(dāng)合閘信號(hào)取消,再次加上合閘信號(hào)時(shí)才響應(yīng)合閘動(dòng)作。6、具有狀態(tài)指示功能永磁智能控制器具有9種狀態(tài)指示功能:電源指示燈(紅色)當(dāng)控制器上電以后,電源指示燈亮。準(zhǔn)備就緒指示燈(綠色)當(dāng)外部直流屏電壓在145V265V范圍內(nèi),準(zhǔn)備就緒指示燈亮,可以操作合、分閘。故障指示燈(黃色)當(dāng)外部直流屏電壓低于145V或高于265V,電壓故障指示燈亮。過(guò)流指示燈當(dāng)合、分閘電流超過(guò)

7、60A時(shí)過(guò)流指示燈亮,說(shuō)明永磁機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈出現(xiàn)故障。合位指示燈(紅色)開(kāi)關(guān)在合閘位置時(shí), 合位指示燈亮。分位指示燈(綠色)開(kāi)關(guān)在分閘位置時(shí), 分位指示燈亮。分閘指示燈(綠色)當(dāng)按下斷路器面板上的分閘按鈕時(shí), 或控制器接收到遠(yuǎn)方AC/DC220V分閘信號(hào)時(shí),分閘指示燈亮。合閘指示燈(紅色)當(dāng)按下斷路器面板上的合閘按鈕時(shí), 或控制器接收到遠(yuǎn)方AC/DC220V合閘信號(hào)時(shí),合閘指示燈亮。合閘閉鎖指示燈(紅色)當(dāng)啟動(dòng)閉鎖功能時(shí), 閉鎖指示燈亮。7、繼電器輸出指示功能1. 繼電器輸出就緒信號(hào)當(dāng)外部直流屏電壓在145V265V范圍內(nèi),繼電器閉合。當(dāng)外部直流屏電壓低于145V或高于265V,或永磁機(jī)構(gòu)既不在合閘

8、位置也不在分閘位置繼電器斷開(kāi)。2. 繼電器輸出合位指示信號(hào)3. 繼電器輸出分位指示信號(hào)8、通訊組網(wǎng)說(shuō)明：通訊符合標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議(RTU方式)傳輸方式RS485,波特率9600BPS,通訊地址可設(shè)定通訊響應(yīng)時(shí)間0.1秒(典型值)最大通訊距離1200米,最多可連接32個(gè)控制器組網(wǎng)時(shí)需配置RS232/RS485轉(zhuǎn)換器以便與PC電腦串口連接通訊功能主要有:1. 上位機(jī)對(duì)下位機(jī)校時(shí)功能2. 上位機(jī)對(duì)下位機(jī)設(shè)置單元通訊地址功能3. 下位機(jī)對(duì)上位機(jī)上傳SOE事件記錄功能4. 上位機(jī)對(duì)下位機(jī)清除SOE事件記錄三、 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案永磁機(jī)構(gòu)控制器主要由CPU、電源模塊、通訊模塊、分合閘驅(qū)動(dòng)單元、分合閘輸

9、入信號(hào)(包括就地、遠(yuǎn)方信號(hào)) 、分合閘位置信號(hào)、直流屏電壓輸入、LED指示輸出信號(hào)等線(xiàn)路組成。系統(tǒng)方案框圖如下:永磁機(jī)構(gòu)控制器是為斷路器配套的核心控制單元, 具有以下主要功能:合閘、分閘及閉鎖、防跳,失壓脫扣,通訊,故障記錄等功能。通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM),PID控制算法,控制分、合閘的運(yùn)動(dòng),具有分合閘電流過(guò)流保護(hù)功能提高斷路器的可靠性和穩(wěn)定性。產(chǎn)品的研制工作概括起來(lái)有：1.建立ARMC-OSII嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)2.初始化程序，自診斷程序，多任務(wù)調(diào)度程序3.電壓檢測(cè)與顯示模塊4.電流傳感器信號(hào)通道與檢測(cè)模塊5.永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)子驅(qū)動(dòng)PWM脈寬調(diào)制數(shù)字邏輯模塊6.永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)控制程序模塊通過(guò)測(cè)試，

10、統(tǒng)計(jì)建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模型，以時(shí)間變量和電流檢測(cè)量為輸入量，控制電壓、電流、磁通和驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的控制，從而控制分、合閘速度及時(shí)間，實(shí)現(xiàn)分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。7.輸入信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊8.輸出信號(hào)模塊9.通訊模塊：RS232就地口，用于系統(tǒng)的設(shè)置和定值參數(shù)更新及故障記錄的查看,用戶(hù)進(jìn)行當(dāng)?shù)鼐S護(hù)四、 電源及驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器采用全橋結(jié)構(gòu),在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路中采用日本富士公司的IGBT器件1MBH60-100做為開(kāi)關(guān)器件來(lái)控制分合閘線(xiàn)圈的通斷,IGBT器件屬于全控型開(kāi)關(guān)器件,具有開(kāi)關(guān)頻率高、控制功率小、采用電壓控制、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn),是目前使用最廣泛的半導(dǎo)體電力電子器件。

11、IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用美國(guó)IR公司IR2110驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器件提供二個(gè)相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)通道,具有光偶隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點(diǎn),是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。圖一給出了驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路的原理圖:圖一 其中,保護(hù)線(xiàn)路當(dāng)分合閘線(xiàn)路電流超出60A時(shí),保護(hù)線(xiàn)路發(fā)出閉鎖PWM調(diào)制信號(hào),并通知CPU發(fā)生過(guò)流保護(hù)事件。 圖二給出了分合閘操作電壓檢測(cè)線(xiàn)路原理圖:圖二 分合閘操作電壓檢測(cè)是為了判斷該電壓是否能滿(mǎn)足分/合閘操作的需要,當(dāng)其低于或高于一定值時(shí)就要閉鎖斷路器分/合閘操作,防止因能量不足而導(dǎo)致操作失敗或能量過(guò)贏而導(dǎo)致機(jī)械特性失效。本系統(tǒng)當(dāng)直流屏電壓在145V265V范圍內(nèi),斷路器可以有效

12、操作。當(dāng)控制器電壓在145V265V范圍內(nèi)時(shí), 本系統(tǒng)根據(jù)電壓的不同,共固化了30條PWM分/合閘曲線(xiàn),由控制軟件采用PWM控制調(diào)節(jié)電壓、電流、磁通和驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的控制，從而控制最佳的分、合閘速度，實(shí)現(xiàn)分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。永磁驅(qū)動(dòng)單元配合VSM永磁斷路器合、分閘速度及電流數(shù)據(jù)如下:電源:DC242V(合閘母線(xiàn)電壓)合閘: 合閘速度 剛合速度 合閘電流(A) 1 0.56 1.18 32.40 2 0.56 1.18 32.40 3 0.54 1.18 32.53 4 0.55 1.18 32.28 5 0.58 1.18 32.28分閘: 分閘速度 剛分速度 分

13、閘電流(A) 1 1.08 0.90 38.5 2 1.08 0.87 38.38 3 1.10 0.90 38.12 4 1.10 0.94 38.25 5 1.09 0.86 38.12五、 控制調(diào)制程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)采用uc/OS-操作系統(tǒng),及ARM處理器來(lái)保證程序設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性、和可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的需要程序設(shè)計(jì)了四個(gè)任務(wù):任務(wù)1: 采用PWM脈寬調(diào)制PID算法進(jìn)行分合閘操作任務(wù)2: 串行通訊接收數(shù)據(jù),采用消息郵箱、信號(hào)量傳遞接收到的數(shù)據(jù)任務(wù)3: 串行通訊處理,解釋接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行,相關(guān)處理任務(wù)4: 初始化目標(biāo)板和建立其它任務(wù)以及建立消息郵箱、信號(hào)量(串行通訊采用消息郵箱、信號(hào)量傳遞接收到的

14、數(shù)據(jù)),并進(jìn)行失壓、分、合閘按鈕判斷。以及中間位分閘、防跳、合閘閉鎖判斷。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別如下:程序采用了2個(gè)中斷源:定時(shí)器O中斷;UART0中斷定時(shí)器0中斷作為uc/OS-時(shí)鐘節(jié)拍的基準(zhǔn)源UART0中斷作為實(shí)時(shí)通訊來(lái)用中斷的優(yōu)先級(jí)別如下:定時(shí)器0中斷: 低UART0中斷: 高主要程序流程如下:六、 后續(xù)工作展望基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器控制器設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),已經(jīng)在電力用戶(hù)得到了大量應(yīng)用。在完成VSM永磁斷路器控制器的基礎(chǔ)上,目前我們又開(kāi)展了以下工作:1、iVSM控制器的研制iVSM 與VSM的主要不同在iVSM把中壓電子式電流（ECT）、電壓互感器(EPT)集成到開(kāi)關(guān)本體上，從

15、而能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的繼電保護(hù)功能，如瞬動(dòng)過(guò)流保護(hù)、短延時(shí)定時(shí)限/反時(shí)限過(guò)流保護(hù)、長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限過(guò)載保護(hù)、高壓電機(jī)起動(dòng)保護(hù)、防合閘涌流，乃至自動(dòng)重合閘功能。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電流、電壓、頻率、功率的測(cè)量及上報(bào)，使iVSM永磁真空斷路器成為可通訊智能電器，配套的ECT主要電氣參數(shù)為： 輸出兩組信號(hào)：一組為保護(hù)用信號(hào)；一組為測(cè)量用信號(hào)。 額定電壓12KV，額定電流600、1000、2000A。 保護(hù)信號(hào)額定電壓200mV；測(cè)量信號(hào)額定電壓4V。 保護(hù)信號(hào)的動(dòng)態(tài)工作區(qū)為120倍額定值；測(cè)量 信號(hào)的動(dòng)態(tài)工作區(qū)為0.11.2倍額定值。 輸出信號(hào)與一次電流的導(dǎo)數(shù)成線(xiàn)性正比例；相移90，角差和比差允許值分別為保護(hù)信號(hào)

16、5，測(cè)量信號(hào)0.2。 頻率響應(yīng)范圍0.520倍基波。 負(fù)載能力1000歐姆。 溫度系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足2555工作范圍溫度變化的信號(hào)精度要求。 應(yīng)采取必要的屏蔽措施防止相間串?dāng)_(相距150mm)，以滿(mǎn)足極柱總裝后的上述幅相及頻率的精度要求。 其余要求應(yīng)符合IEC60044-8。 2、選相控制器的預(yù)研制同步開(kāi)關(guān)需要每相都配置有一個(gè)獨(dú)立的永磁操作機(jī)構(gòu),VSM永磁斷路器控制器的研制將為同步斷路器的研發(fā)打下良好基礎(chǔ)，創(chuàng)造有力條件。同步斷路器目前越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗姆趾蟿?dòng)作能夠與電網(wǎng)電壓或電流的相位同步操作。為了實(shí)現(xiàn)同步操作，首先要精確檢測(cè)電網(wǎng)電壓或電流的相位，同時(shí)要保證同步斷路器的分合閘動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定可控，因而控制器應(yīng)該是閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且能夠?qū)嗦菲饔|頭磨損進(jìn)行補(bǔ)償。同步斷路器用于投切電容器組，可以有效地抑制操作涌流和操作過(guò)電壓。與傳統(tǒng)的串連電抗器、投切過(guò)程插入電阻器或