煤礦真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

常海英

【摘要】 隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度的不斷增加，礦用設(shè)備容量不斷上升，大功率組合開(kāi)關(guān)、電機(jī)變頻一體機(jī)等設(shè)備在煤礦井下廣泛應(yīng)用。本文在研究煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)和永磁機(jī)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，結(jié)合單片機(jī)PIC16F877A設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)控制器，主要包括控制器整體結(jié)構(gòu)、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和分/合閘控制電路。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 斷路器 永磁機(jī)構(gòu) 控制器

目前，全國(guó)煤礦安全生產(chǎn)事故總量繼續(xù)下降，整體形勢(shì)持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，煤礦開(kāi)采環(huán)境得到明顯改善，安全形勢(shì)呈現(xiàn)總體穩(wěn)定、趨向好轉(zhuǎn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，事故總量、死亡人數(shù)和百萬(wàn)噸死亡率都呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，但煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，主要表現(xiàn)為重特大事故時(shí)有發(fā)生，安全生產(chǎn)重大隱患未能得到有效治理，一些地區(qū)煤炭企業(yè)的配電網(wǎng)絡(luò)落后、電器設(shè)備老化嚴(yán)重，影響煤礦安全生產(chǎn)問(wèn)題的根本解決。

一、永磁機(jī)構(gòu)

煤礦斷路器選用永磁機(jī)構(gòu)取代彈簧、液壓等傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)，這種操作機(jī)構(gòu)主要由永久磁鐵、合閘線圈和分閘線圈組成，工作時(shí)永磁機(jī)構(gòu)接到分/合閘指令，通過(guò)兩個(gè)可產(chǎn)生磁場(chǎng)的分/合閘線圈控制動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的分/合閘極限位置，動(dòng)鐵芯通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)動(dòng)觸頭動(dòng)作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)煤礦斷路器完成分/合閘操作。與傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)相比，永磁機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差小及可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是煤礦斷路器操作機(jī)構(gòu)的理想選擇。

二、永磁機(jī)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)針對(duì)礦用永磁固封式真空斷路器用單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)分閘操作時(shí)采用彈簧驅(qū)動(dòng)， 所以在合閘操作時(shí)不僅要保證觸頭的可靠閉合，還要完成為分閘彈簧儲(chǔ)能，這就要求永磁機(jī)構(gòu)瞬間具有較大的驅(qū)動(dòng)力，即線圈通過(guò)較大電流。控制系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、控制面板、電容器組、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路和電容電壓檢測(cè)電路等組成，如圖1所示。控制系統(tǒng)工作過(guò)程為：控制器上電后首先對(duì)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行充電操作，處理器實(shí)時(shí)采集電容器組的電壓值；當(dāng)電容電壓滿(mǎn)足動(dòng)作要求，停止充電操作，然后處理器接收到動(dòng)作指令時(shí)導(dǎo)通合分閘線圈，驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作，最后處理器檢測(cè)斷路器觸頭行程，直到動(dòng)作完成，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并等待下一次動(dòng)作指令。

2.1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

為了適應(yīng)永磁機(jī)構(gòu)復(fù)雜的工作環(huán)境，本文電路設(shè)計(jì)時(shí)以專(zhuān)用IGBT驅(qū)動(dòng)芯片VLA517-01R為核心設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。VLA517-01R是日本富士公司提供的快速型IGBT驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用模塊，整個(gè)電路延遲時(shí)間不超過(guò)1μs，最高工作頻率達(dá)40～50kHz，只需外部一個(gè) 20V電源供電，內(nèi)部可產(chǎn)生一個(gè)正驅(qū)動(dòng)電壓及反向截止電壓，模塊內(nèi)部含有過(guò)流保護(hù)和故障信號(hào)輸出電路。為了防止過(guò)電流造成的IGBT 損壞， 電路必須有完善的故障檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)， 及時(shí)檢測(cè)出過(guò)電流故障，并迅速關(guān)斷。因?yàn)镮GBT 的通態(tài)飽和壓降UCE與集電極電流IC呈近似線性關(guān)系， 所以IGBT 的過(guò)電流保護(hù)可以采用集電極電壓的檢測(cè)方法， 即通過(guò)測(cè)量UCE的大小來(lái)判斷集電極電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本文選擇PIC16F877A單片機(jī)的RB4端口作為分合閘控制信號(hào)輸入端，控制信號(hào)輸入電路如圖3所示。當(dāng)動(dòng)作指令輸入時(shí)，按鈕S5閉合后，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)LC濾波電路和RC濾波電路處理處理后，驅(qū)動(dòng)光耦導(dǎo)通，在光耦二次側(cè)控制指令輸出，分、合閘信號(hào)通過(guò)PIC16F877A的RB4端口進(jìn)入單片機(jī)。在控制信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)TVS鉗位電路，吸收大電流，保證后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。（圖3）

三、 結(jié)論

隨之煤礦智能化技術(shù)的推廣，礦用電氣設(shè)備的智能操作成為當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)。煤礦斷路器的智能化水平直接決定煤礦電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證：本文設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)合理，能夠按照要求驅(qū)動(dòng)煤礦斷路器完成分合閘操作。

參考文獻(xiàn)

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