斷路器電磁操動機構合閘保持力補償方法的研究

車 煥（營口理工學院，遼寧營口，115000）

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斷路器電磁操動機構合閘保持力補償方法的研究

車 煥
（營口理工學院，遼寧營口，115000）

摘要：新型電力機車主斷路器用電磁操動機構處于合閘位置時，其保持力由一組保持線圈勵磁實現。由于機車上電源電壓波動大且機車工作環境溫度變化大，此保持力的變化范圍非常大。為了穩定合閘時的保持力，保證電磁操動機構穩定工作，提出采用直流斬波的方法對合閘保持力進行補償。

關鍵詞：斷路器；電磁操動機構；補償

本文系“青年項目自然科學”課題研究，編號：QNL201535

0　引言

新設計的電力機車主斷路器用電磁操作機構，其合閘保持力采用了給保持線圈激勵的方式來提供。溫度和控制電壓對這個合閘保持力的影響非常大，如果不對此時的保持力進行適當的補償，將影響整個機構的性能。本文詳細分析了溫度和控制電壓對合閘保持力的影響，并提出采用斬波電路的方式對合閘保持力進行補償。

1　電磁操動機構結構

新型電磁機構由動鐵心、靜鐵芯、合閘線圈、保持線圈組成。合閘時給合閘線圈通電后，動靜鐵心之間產生電磁吸力，動鐵心帶動觸頭及傳動機構又分閘位置向合閘位置運動，動靜鐵心閉合，實現合閘操作。在合閘線圈的驅動下，動鐵心由分閘位置運動到合閘位置，由于為了在較短的時間內獲得較大的操作功，動鐵心的阻抗很小，且由合閘操作是由儲能電容提供操作能量，動鐵心合閘后，電容器的容量基本泄放掉了，所以采用一組保持線圈提供磁場能量，使動鐵心保持在合閘位置上，保持線圈直接由機車電源供電。分閘時依靠分閘彈簧在合閘過程中儲存的彈性勢能來實現分閘操作。

2　合閘保持力的影響因數分析

由機構工作原理我們可以知道，電磁機構的合閘保持力是由給保持線圈提供勵磁電流來實現的，這時保持力的計算公式為：

由式（3.2）可以看出控制電壓、線圈材料的溫度系數和工作氣隙將直接影響合閘保持力的大小。

（1）根據機車主斷路器的技術參數，直流電源的工作范圍70%-125%的額定電壓。由式3.2可知，電磁機構的保持力和電壓是成平方的關系，當電壓在這個范圍發生變化時保持保持力將會產生3倍多的波動。

（2）溫度的變化會影響合閘保持力的大小。一方面溫度的變化會使線圈溫度系數發生變化，溫度升高時線圈溫度系數會變大，從而使合閘保持力減小。另一發面溫度的變化會使動靜鐵芯產生熱脹冷縮的作用，從而導致電磁機構處于合閘位置時的工作氣隙的大小發生變化，溫度升高時工作氣隙變小保持力會減小。

對于電磁機構來說，當保持力過小時不能使機構可靠的保持在合閘位置，而當保持力過大時它又要影響分閘時間，所以有必要針對電源電壓和溫度的變化對合閘保持力進行必要補償，使保持力穩定在機構要求的1400N。

3　合閘保持力的補償方法

溫度的大小無法調節，所以本文采用直流斬波的方法來調節電壓，從而來穩定保持力。直流斬波電路有很多，本文采用SEPIC斬波電路， SEPIC （Single-Ended Primary Inductance Converter） 斬波電路具有對輸入電壓進行升降壓轉換功能，可在輸出端得到恒定的電壓。

SEPIC斬波電路的原理圖如圖1所示。IGBT導通時，其等效電路如圖2所示，圖中V1、L1、IGBT組成一個回路，回路中流過電流IL1。在此電容C1等效于一個電壓源，C1、L2和IGBT組成另外一個回路，回路中電流IL2，兩個電流方向如圖2中箭頭所示，并在IGBT導通期間逐漸增大。當IGBT關斷時，IL1通過C1和二極管D流入到負載電阻RL和電容C2，IL2通過D流入到C2，當電容處于充電狀態時，IL1和IL2都會線性下降，負載電流Io從C2流入到負載，電流方向如圖2中箭頭方向所示。

圖1　SEPIC斬波電路原理圖

圖2　IGBT導通時SEPIC斬波電路電流流向

圖3　IGBT關斷時SEPIC斬波電路電流流向

借助于圖2，圖3的幫助，我們可以推導出SEPIC電路的數學模型。假設C1和C2上的電壓固定不變，二極管和IGBT的導通壓降可以忽略不計。當SEPIC電路進入穩定工作狀態，那么在一個完整的開關周期中，電感的電壓與時間的關系曲線在一個周期內的積分等于零。

由圖2可以看出，當電路工作在IGBT導通狀態時，L1與輸入電源并聯，其上的電壓等于VI，這一電壓一直持續到IGBT關斷，即時長D×T， 將該電壓和持續時間相乘代表導通時電壓和時間的積分；由圖3可以看出，當IGBT關斷時，輸入電源、L1、C1和負載被串聯在一起，所以L1上的電壓為VC1＋VO-VI，這一電壓持續到IGBT重新導通，即時長（1-D）×T，將該電壓和持續時間相乘代表了關斷時電壓和時間的積分。兩個積分相等，所以可以得到如下公式：

其中，VC1為C1上的電壓值；VI為輸入電源電壓；VO為輸出電壓，即負載上的電壓。

同上分析，在一個完整的開關周期中，L2在IGBT導通時其上的電壓和其持續時間的乘積等于IGBT關斷時L2上的電壓和其持續時間的乘積。當IGBT導通時，L2和C1并聯，它們的電壓相等，即L2上的電壓為VC1，持續時間D×T；當IGBT關斷時，L2和負載并聯，它們的電壓相等，即L2上的電壓為VO，持續時間（1-D） ×T。所以可得到如下公式：

由公式（3.3）和（3.4）可得：

用VI替換公式（3.7）或（3.8）中的VC1，可得到SEPIC的傳遞函數為：

由公式（3.9）可知，當0＜D＜0.5時，輸出電壓小于輸入電壓，SEPIC斬波電路產生降壓效果；當0.5＜D＜1時，輸出電壓大于輸入電壓，SEPIC斬波電路產生升壓效果。所以我們只要控制IGBT導通和關斷的占空比就可以實現調節電壓的目的。

4　結語

本文分析了影響斷路器電磁操動機構合閘保持力的影響因數，并采用直流斬波的方法對控制電壓進行補償，從而來穩定保持力，是斷路器工作更加可靠，具有很大的現實意義。

參考文獻

郭潤睿，光伏發電系統直流變換器的研究.天津：天津理工大學，2008.

車煥（1982-），女，遼寧營口人，學歷：碩士，實驗師，研究方向：智能電器

Study on Electromagnetic Operating Mechanism Holding Force Compensation Method of Circuit Breaker

Che Huan
（Yingkou Institute of Technology，Yingkou，Liaoning，115000）

Abstract：When the new type electromagnetic operating mechanism using for electric locomotive main circuit breaker is in the closing position， its keeping force is provided by a group of holding coil . Because of power supply voltage on the locomotive and environment temperature of the locomotive all changes greatly.In order to stabilize the keeping force， guarantee the stability of electromagnetic operating mechanism， a dc chopper method is proposed to compensate keeping force.

Keywords：circuit breaker; electromagnetic operating mechanism; compensate

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