一種新型礦用真空永磁控制器設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)各種礦用永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的控制需求，實(shí)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(diǎn)軟件一體化設(shè)計(jì)，電源采用寬范圍輸入、恒壓恒流輸出的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，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(dòng)；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(shè)備之一，其性能優(yōu)劣對(duì)斷路器的性能影響較大。隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)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(dòng)作，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。在傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電氣控制與驅(qū)動(dòng)部分采用繼電器式的控制方式，其控制線路簡(jiǎn)單，但控制單元體積較大，零部件壽命較短，維護(hù)工作量大。隨著電子技術(shù)的進(jìn)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(jī)電式繼電器和有觸點(diǎn)的輔助開關(guān)等部件實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的控制與驅(qū)動(dòng)。在永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用電子式控制方式比傳統(tǒng)的控制方式更加可靠。設(shè)計(jì)采用CPLD控制指令的輸出來實(shí)現(xiàn)合／分閘操作、合／分互鎖功能，欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、延時(shí)保護(hù)等功能，提高控制系統(tǒng)的智能化，避免了操作的誤動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)是近年發(fā)展起來的一種新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)將電磁鐵與永久磁鐵有機(jī)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(jī)械脫扣、鎖扣裝置。該機(jī)構(gòu)體積較小、零部件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使斷路器動(dòng)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(jī)構(gòu)。
設(shè)計(jì)的永磁機(jī)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(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)的放電方式和原始時(shí)間相結(jié)合，在用CPLD控制電容給線圈的放電時(shí)間。輸出驅(qū)動(dòng)采用三極管和IGBT組成的無觸點(diǎn)電路完成。并且有獨(dú)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(shè)計(jì)
整個(gè)永磁控制系統(tǒng)主要由5部分組成：電源部分、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、識(shí)別判斷處理控制部分、輸入隔離模塊和輸出驅(qū)動(dòng)模塊。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

輸入信號(hào)隔離包括合／分指令輸入、斷路器狀態(tài)位輸入、欠壓保護(hù)輸入和斷電信號(hào)輸入等信號(hào)調(diào)理隔離處理電路。CPLD芯片主要完成信號(hào)的判斷比較、判斷和輸出時(shí)間控制等功能；信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)模塊主要是合／分閘指令的輸出和信號(hào)隔離處理驅(qū)動(dòng)；時(shí)鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理時(shí)鐘，使得系統(tǒng)能夠精確地控制能量的輸出，保證永磁機(jī)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(shè)計(jì)
電源是整個(gè)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(gè)系統(tǒng)的可靠性，所以設(shè)計(jì)采用寬范圍輸入的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，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(shí)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(chǔ)能電容給永磁機(jī)構(gòu)的線圈供電，所以本系統(tǒng)所采用的是空載時(shí)恒壓和帶載時(shí)恒流的電源設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了過充保護(hù)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(shí)間要求。開關(guān)電源的模塊如圖2所示。