基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器控制器設(shè)計

1、基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器 控制器設(shè)計陳建平 錢昱澎 （西安森源開關(guān)技術(shù)研究所有限公司）2012.12【摘 要】 本文介紹了目前國內(nèi)高壓永磁斷路器常用的分、合閘線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。【關(guān)鍵詞】永磁斷路器; 直流屏; PWM; 運(yùn)動控制; 控制器。【Abstract】 : 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機(jī)構(gòu):彈簧操動機(jī)構(gòu)、電磁操動機(jī)構(gòu)、永磁操動機(jī)構(gòu)。前二種操動機(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。

3、彈簧操動機(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;而電磁操動機(jī)構(gòu)的分、合驅(qū)動電流很大,需要有專用的直流電源。永磁操動機(jī)構(gòu)是一種采用永磁保持、電子控制的電磁操動機(jī)構(gòu),工作時主要運(yùn)動部件只有一個,無需機(jī)械脫、鎖扣裝置,故障源少。因此具有結(jié)構(gòu)簡單、耐磨損、可靠性高等特點。但目前國內(nèi)永磁操動機(jī)構(gòu)電源單元還主要采用儲能電容器來為線圈供電, 電容器作為供電單元主要具有充電時間短、無需復(fù)雜的充電及保護(hù)電路。但電容器也有它致命的弱點,由于經(jīng)過多次的充放電以及環(huán)境溫的影響,電容器的容量會下降,經(jīng)過實際使用測試,基本上過45年電容器需要更換。目前國內(nèi)永磁操動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制主要采用單管IGBT方式,雖然

4、驅(qū)動電路比較簡單,但是無法直接使用直流屏,對開關(guān)機(jī)械特性的調(diào)試比較麻煩。本文所述的驅(qū)動控制方案,既可采用直流屏(解決了儲能電容器的缺點),也可以對斷路器的合、分閘特性曲線進(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、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、合曲線更加平滑,可靠性更高?？刂破髦邪瑢崟r時鐘,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、作可通過遠(yuǎn)方控制臺的合閘、分閘AC/DC220V信號進(jìn)行,也可以通過斷路器面板的合閘、分閘按鈕完成。2、具有信號自動判別功能當(dāng)合、分閘信號同時接收,控制器自動閉鎖合閘信號,響應(yīng)分閘信號。3、具有閉鎖功能當(dāng)兩臺或多臺斷路器聯(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、分閘接近開關(guān)位置監(jiān)測功能正常情況下, 斷路器應(yīng)可靠合閘、分閘,對應(yīng)的合閘或分閘接近開關(guān)檢測正確的合閘或分閘位置,控制器能自動根據(jù)接近開關(guān)檢測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), 接近開關(guān)檢測不到合、分閘位置時, 控制器具有立即發(fā)出分

6、閘信號,并封鎖合閘信號的功能。5、具有防跳功能當(dāng)控制器接收到合閘信號并響應(yīng)合閘,機(jī)構(gòu)合閘到位后, 合閘信號不取消,此時,又接收到分閘信號,控制器立即響應(yīng)分閘信號,分閘響應(yīng)以后,取消分閘信號,此時合閘信號仍不取消,不應(yīng)該響應(yīng)合閘信號,只有當(dāng)合閘信號取消,再次加上合閘信號時才響應(yīng)合閘動作。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。過流指示燈當(dāng)合、分閘電流超過

7、60A時過流指示燈亮,說明永磁機(jī)構(gòu)線圈出現(xiàn)故障。合位指示燈(紅色)開關(guān)在合閘位置時, 合位指示燈亮。分位指示燈(綠色)開關(guān)在分閘位置時, 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, 或控制器接收到遠(yuǎn)方AC/DC220V分閘信號時,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, 或控制器接收到遠(yuǎn)方AC/DC220V合閘信號時,合閘指示燈亮。合閘閉鎖指示燈(紅色)當(dāng)啟動閉鎖功能時, 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。2. 繼電器輸出合位指示信號3. 繼電器輸出分位指示信號8、通訊組網(wǎng)說明：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)時間0.1秒(典型值)最大通訊距離1200米,最多可連接32個控制器組網(wǎng)時需配置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)對下位機(jī)校時功能2. 上位機(jī)對下位機(jī)設(shè)置單元通訊地址功能3. 下位機(jī)對上位機(jī)上傳SOE事件記錄功能4. 上位機(jī)對下位機(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)動單元、分合閘輸

9、入信號(包括就地、遠(yuǎn)方信號) 、分合閘位置信號、直流屏電壓輸入、LED指示輸出信號等線路組成。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。通過脈寬調(diào)制(PWM),PID控制算法,控制分、合閘的運(yùn)動,具有分合閘電流過流保護(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有：1.建立ARMC-OSII嵌入式操作系統(tǒng)平臺2.初始化程序，自診斷程序，多任務(wù)調(diào)度程序3.電壓檢測與顯示模塊4.電流傳感器信號通道與檢測模塊5.永磁機(jī)構(gòu)動子驅(qū)動PWM脈寬調(diào)制數(shù)字邏輯模塊6.永磁機(jī)構(gòu)動子運(yùn)動控制程序模塊通過測試，

10、統(tǒng)計建立一個運(yùn)動控制模型，以時間變量和電流檢測量為輸入量，控制電壓、電流、磁通和驅(qū)動力，實現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)動子運(yùn)動的控制，從而控制分、合閘速度及時間，實現(xiàn)分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。7.輸入信號監(jiān)測模塊8.輸出信號模塊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,用戶進(jìn)行當(dāng)?shù)鼐S護(hù)四、 電源及驅(qū)動方案設(shè)計本系統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動器采用全橋結(jié)構(gòu),在驅(qū)動線路中采用日本富士公司的IGBT器件1MBH60-100做為開關(guān)器件來控制分合閘線圈的通斷,IGBT器件屬于全控型開關(guān)器件,具有開關(guān)頻率高、控制功率小、采用電壓控制、輸入阻抗高等優(yōu)點,是目前使用最廣泛的半導(dǎo)體電力電子器件。

11、IGBT的驅(qū)動電路采用美國IR公司IR2110驅(qū)動器,該驅(qū)動器件提供二個相互獨立的驅(qū)動通道,具有光偶隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點,是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。圖一給出了驅(qū)動線路的原理圖:圖一 其中,保護(hù)線路當(dāng)分合閘線路電流超出60A時,保護(hù)線路發(fā)出閉鎖PWM調(diào)制信號,并通知CPU發(fā)生過流保護(hù)事件。 圖二給出了分合閘操作電壓檢測線路原理圖:圖二 分合閘操作電壓檢測是為了判斷該電壓是否能滿足分/合閘操作的需要,當(dāng)其低于或高于一定值時就要閉鎖斷路器分/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, 本系統(tǒng)根據(jù)電壓的不同,共固化了30條PWM分/合閘曲線,由控制軟件采用PWM控制調(diào)節(jié)電壓、電流、磁通和驅(qū)動力，實現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)動子運(yùn)動的控制，從而控制最佳的分、合閘速度，實現(xiàn)分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。永磁驅(qū)動單元配合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)計程序設(shè)計采用uc/OS-操作系統(tǒng),及ARM處理器來保證程序設(shè)計的實時性、和可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的需要程序設(shè)計了四個任務(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、信號量(串行通訊采用消息郵箱、信號量傳遞接收到的

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)先級別如下:程序采用了2個中斷源:定時器O中斷;UART0中斷定時器0中斷作為uc/OS-時鐘節(jié)拍的基準(zhǔn)源UART0中斷作為實時通訊來用中斷的優(yōu)先級別如下:定時器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)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),已經(jīng)在電力用戶得到了大量應(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，如瞬動過流保護(hù)、短延時定時限/反時限過流保護(hù)、長延時反時限過載保護(hù)、高壓電機(jī)起動保護(hù)、防合閘涌流，乃至自動重合閘功能。同時能夠?qū)崿F(xiàn)電流、電壓、頻率、功率的測量及上報，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：一組為保護(hù)用信號；一組為測量用信號。 額定電壓12KV，額定電流600、1000、2000A。 保護(hù)信號額定電壓200mV；測量信號額定電壓4V。 保護(hù)信號的動態(tài)工作區(qū)為120倍額定值；測量 信號的動態(tài)工作區(qū)為0.11.2倍額定值。 輸出信號與一次電流的導(dǎo)數(shù)成線性正比例；相移90，角差和比差允許值分別為保護(hù)信號

16、5，測量信號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)滿足2555工作范圍溫度變化的信號精度要求。 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)研制同步開關(guān)需要每相都配置有一個獨立的永磁操作機(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越受到人們的關(guān)注，因為它的分合動作能夠與電網(wǎng)電壓或電流的相位同步操作。為了實現(xiàn)同步操作，首先要精確檢測電網(wǎng)電壓或電流的相位，同時要保證同步斷路器的分合閘動作時間穩(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電壓。與傳統(tǒng)的串連電抗器、投切過程插入電阻器或