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真空斷路器的控制需求，實(shí)現了基于CPLD的新型智能礦用真空永磁控制器。采用全電子電路無(wú)觸點(diǎn)軟件一體化設計，電源采用寬范圍輸入、恒壓恒流輸出的開(kāi)關(guān)電源設計，電壓和電流連續可調，具有較高的可靠性；用三極管和IGBT組成的電子開(kāi)關(guān)通斷來(lái)控制合／分閘的能量，使輸出能量可控、可調，保證了礦井的安全和斷路器可靠工作。
關(guān)鍵詞 智能控制；電子驅動(dòng)；斷路器；開(kāi)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(zhù)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(lái)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，并有較強的抗干擾能力。在傳統操動(dòng)機構中，電氣控制與驅動(dòng)部分采用繼電器式的控制方式，其控制線(xiàn)路簡(jiǎn)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(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步，電力電子器件性能和參數的提高，可用電子元器件代替機電式繼電器和有觸點(diǎn)的輔助開(kāi)關(guān)等部件實(shí)現對斷路器的控制與驅動(dòng)。在永磁操動(dòng)機構中，由于其結構特點(diǎn)，用電子式控制方式比傳統的控制方式更加可靠。設計采用CPLD控制指令的輸出來(lái)實(shí)現合／分閘操作、合／分互鎖功能，欠壓保護、過(guò)壓保護、延時(shí)保護等功能，提高控制系統的智能化，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)機構是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型操動(dòng)機構。這種機構將電磁鐵與永久磁鐵有機地結合在一起，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(wú)需任何傳統的機械脫扣、鎖扣裝置。該機構體積較小、零部件少、結構簡(jiǎn)單，使斷路器動(dòng)作可靠性大大提高。目前，在結構上有雙線(xiàn)圈式、單線(xiàn)圈式和分磁路式3種形式，前兩種形式稱(chēng)為雙穩態(tài)永磁機構。
設計的永磁機構采用雙線(xiàn)圈結構，永磁控制器主要是根據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(shí)間相結合，在用CPLD控制電容給線(xiàn)圈的放電時(shí)間。輸出驅動(dòng)采用三極管和IGBT組成的無(wú)觸點(diǎn)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(gè)永磁控制系統主要由5部分組成：電源部分、時(shí)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動(dòng)模塊。整個(gè)系統的框圖如圖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(shí)間控制等功能；信號輸出驅動(dòng)模塊主要是合／分閘指令的輸出和信號隔離處理驅動(dòng)；時(shí)鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生數據處理時(shí)鐘，使得系統能夠精確地控制能量的輸出，保證永磁機構工作的可靠性；電源主要是用來(lái)給系統供電和電容充電。
2．1 電源模塊設計
電源是整個(gè)控制系統的心臟，電源的可靠性和抗干擾能力決定了整個(gè)系統的可靠性，所以設計采用寬范圍輸入的開(kāi)關(guān)電源設計，增加了系統的可靠性和安全性。開(kāi)關(guān)電源是利用現代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成。由于礦用斷路器合／分閘操作采用儲能電容給永磁機構的線(xiàn)圈供電，所以本系統所采用的是空載時(shí)恒壓和帶載時(shí)恒流的電源設計方案，實(shí)現了過(guò)充保護防止過(guò)充損壞元件，提高了系統的可靠性。電壓和電流連續可調滿(mǎn)足不同的上電時(shí)間要求。開(kāi)關(guān)電源的模塊如圖2所示。