1、基于直流屏電源及PWM控制的永磁斷路器 控制器設計陳建平 錢昱澎 （西安森源開關技術研究所有限公司）2012.12【摘 要】 本文介紹了目前國內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。【關鍵詞】永磁斷路器; 直流屏; PWM; 運動控制; 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域目前主要有三種操動機構:彈簧操動機構、電磁操動機構、永磁操動機構。前二種操動機構使用已經相當普遍,可靠性已達到了很高的水平,但也存在明顯的缺點。

3、彈簧操動機構存在零部件多,裝配精度要求高和機械磨損嚴重的缺點;而電磁操動機構的分、合驅動電流很大,需要有專用的直流電源。永磁操動機構是一種采用永磁保持、電子控制的電磁操動機構,工作時主要運動部件只有一個,無需機械脫、鎖扣裝置,故障源少。因此具有結構簡單、耐磨損、可靠性高等特點。但目前國內永磁操動機構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、無需復雜的充電及保護電路。但電容器也有它致命的弱點,由于經過多次的充放電以及環境溫的影響,電容器的容量會下降,經過實際使用測試,基本上過45年電容器需要更換。目前國內永磁操動機構的驅動控制主要采用單管IGBT方式,雖然

4、驅動電路比較簡單,但是無法直接使用直流屏,對開關機械特性的調試比較麻煩。本文所述的驅動控制方案,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、分閘特性曲線進行軟件調制,極大的提高了斷路器生產調試的效率。二、 VSM永磁控制器系統功能及技術指標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。控制器采用高性能的32位嵌入式處理器,采用PWM斬波數字調制方式,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。控制器中包含實時時鐘,可以準確記錄斷路器發生的操作情況。1、具有合閘、分閘功能斷路器的合、分閘操

5、作可通過遠方控制臺的合閘、分閘AC/DC220V信號進行,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合、分閘信號同時接收,控制器自動閉鎖合閘信號,響應分閘信號。3、具有閉鎖功能當兩臺或多臺斷路器聯機使用,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、分閘接近開關位置監測功能正常情況下, 斷路器應可靠合閘、分閘,對應的合閘或分閘接近開關檢測正確的合閘或分閘位置,控制器能自動根據接近開關檢測的正確的合閘或分閘位置響應正常的合閘或分閘操作。當出現異常情況, 斷路器未能可靠合閘而處于故障狀態, 接近開關檢測不到合、分閘位置時, 控制器具有立即發出分

6、閘信號,并封鎖合閘信號的功能。5、具有防跳功能當控制器接收到合閘信號并響應合閘,機構合閘到位后, 合閘信號不取消,此時,又接收到分閘信號,控制器立即響應分閘信號,分閘響應以后,取消分閘信號,此時合閘信號仍不取消,不應該響應合閘信號,只有當合閘信號取消,再次加上合閘信號時才響應合閘動作。6、具有狀態指示功能永磁智能控制器具有9種狀態指示功能:電源指示燈(紅色)當控制器上電以后,電源指示燈亮。準備就緒指示燈(綠色)當外部直流屏電壓在145V265V范圍內,準備就緒指示燈亮,可以操作合、分閘。故障指示燈(黃色)當外部直流屏電壓低于145V或高于265V,電壓故障指示燈亮。過流指示燈當合、分閘電流超過

7、60A時過流指示燈亮,說明永磁機構線圈出現故障。合位指示燈(紅色)開關在合閘位置時, 合位指示燈亮。分位指示燈(綠色)開關在分閘位置時, 分位指示燈亮。分閘指示燈(綠色)當按下斷路器面板上的分閘按鈕時, 或控制器接收到遠方AC/DC220V分閘信號時,分閘指示燈亮。合閘指示燈(紅色)當按下斷路器面板上的合閘按鈕時, 或控制器接收到遠方AC/DC220V合閘信號時,合閘指示燈亮。合閘閉鎖指示燈(紅色)當啟動閉鎖功能時, 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外部直流屏電壓在145V265V范圍內,繼電器閉合。當外部直流屏電壓低于145V或高于265V,或永磁機構既不在合閘

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、通訊組網說明：通訊符合標準MODBUS協議(RTU方式)傳輸方式RS485,波特率9600BPS,通訊地址可設定通訊響應時間0.1秒(典型值)最大通訊距離1200米,最多可連接32個控制器組網時需配置RS232/RS485轉換器以便與PC電腦串口連接通訊功能主要有:1. 上位機對下位機校時功能2. 上位機對下位機設置單元通訊地址功能3. 下位機對上位機上傳SOE事件記錄功能4. 上位機對下位機清除SOE事件記錄三、 控制器系統結構方案永磁機構控制器主要由CPU、電源模塊、通訊模塊、分合閘驅動單元、分合閘輸

9、入信號(包括就地、遠方信號) 、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。系統方案框圖如下:永磁機構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。通過脈寬調制(PWM),PID控制算法,控制分、合閘的運動,具有分合閘電流過流保護功能提高斷路器的可靠性和穩定性。產品的研制工作概括起來有：1.建立ARMC-OSII嵌入式操作系統平臺2.初始化程序，自診斷程序，多任務調度程序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.永磁機構動子驅動PWM脈寬調制數字邏輯模塊6.永磁機構動子運動控制程序模塊通過測試，

10、統計建立一個運動控制模型，以時間變量和電流檢測量為輸入量，控制電壓、電流、磁通和驅動力，實現永磁機構動子運動的控制，從而控制分、合閘速度及時間，實現分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。7.輸入信號監測模塊8.輸出信號模塊9.通訊模塊：RS232就地口，用于系統的設置和定值參數更新及故障記錄的查看,用戶進行當地維護四、 電源及驅動方案設計本系統永磁機構驅動器采用全橋結構,在驅動線路中采用日本富士公司的IGBT器件1MBH60-100做為開關器件來控制分合閘線圈的通斷,IGBT器件屬于全控型開關器件,具有開關頻率高、控制功率小、采用電壓控制、輸入阻抗高等優點,是目前使用最廣泛的半導體電力電子器件。

11、IGBT的驅動電路采用美國IR公司IR2110驅動器,該驅動器件提供二個相互獨立的驅動通道,具有光偶隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優點,是中小功率變換裝置中驅動器件的首選品種。圖一給出了驅動線路的原理圖:圖一 其中,保護線路當分合閘線路電流超出60A時,保護線路發出閉鎖PWM調制信號,并通知CPU發生過流保護事件。 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致操作失敗或能量過贏而導致機械特性失效。本系統當直流屏電壓在145V265V范圍內,斷路器可以有效

12、操作。當控制器電壓在145V265V范圍內時, 本系統根據電壓的不同,共固化了30條PWM分/合閘曲線,由控制軟件采用PWM控制調節電壓、電流、磁通和驅動力，實現永磁機構動子運動的控制，從而控制最佳的分、合閘速度，實現分合位的“軟著陸”并減少分合、閘功。永磁驅動單元配合VSM永磁斷路器合、分閘速度及電流數據如下: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、 控制調制程序設計程序設計采用uc/OS-操作系統,及ARM處理器來保證程序設計的實時性、和可靠性。根據系統的需要程序設計了四個任務:任務1: 采用PWM脈寬調制PID算法進行分合閘操作任務2: 串行通訊接收數據,采用消息郵箱、信號量傳遞接收到的數據任務3: 串行通訊處理,解釋接收到的數據進行,相關處理任務4: 初始化目標板和建立其它任務以及建立消息郵箱、信號量(串行通訊采用消息郵箱、信號量傳遞接收到的

14、數據),并進行失壓、分、合閘按鈕判斷。以及中間位分閘、防跳、合閘閉鎖判斷。任務的優先級別如下: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-時鐘節拍的基準源UART0中斷作為實時通訊來用中斷的優先級別如下: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計達到了預期目標,已經在電力用戶得到了大量應用。在完成VSM永磁斷路器控制器的基礎上,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)集成到開關本體上，從

15、而能夠實現標準要求的繼電保護功能，如瞬動過流保護、短延時定時限/反時限過流保護、長延時反時限過載保護、高壓電機起動保護、防合閘涌流，乃至自動重合閘功能。同時能夠實現電流、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主要電氣參數為： 輸出兩組信號：一組為保護用信號；一組為測量用信號。 額定電壓12KV，額定電流600、1000、2000A。 保護信號額定電壓200mV；測量信號額定電壓4V。 保護信號的動態工作區為120倍額定值；測量 信號的動態工作區為0.11.2倍額定值。 輸出信號與一次電流的導數成線性正比例；相移90，角差和比差允許值分別為保護信號

16、5，測量信號0.2。 頻率響應范圍0.520倍基波。 負載能力1000歐姆。 溫度系數應滿足2555工作范圍溫度變化的信號精度要求。 應采取必要的屏蔽措施防止相間串擾(相距150mm)，以滿足極柱總裝后的上述幅相及頻率的精度要求。 其余要求應符合IEC60044-8。 2、選相控制器的預研制同步開關需要每相都配置有一個獨立的永磁操作機構,VSM永磁斷路器控制器的研制將為同步斷路器的研發打下良好基礎，創造有力條件。同步斷路器目前越來越受到人們的關注，因為它的分合動作能夠與電網電壓或電流的相位同步操作。為了實現同步操作，首先要精確檢測電網電壓或電流的相位，同時要保證同步斷路器的分合閘動作時間穩定可控，因而控制器應該是閉環控制系統，并且能夠對斷路器觸頭磨損進行補償。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。與傳統的串連電抗器、投切過程插入電阻器或