軌道交通真空斷路器電磁機構控制器的設計

車　煥馬少華饒　攀

（1. 沈陽工業大學，沈陽　110023；2. 株洲電力機車有限公司，湖南 株洲　412001）

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軌道交通真空斷路器電磁機構控制器的設計

車煥1馬少華1饒攀2

（1. 沈陽工業大學，沈陽110023；2. 株洲電力機車有限公司，湖南 株洲412001）

本文介紹了一種基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的軌道交通用真空斷路器電磁機構控制器的設計。利用 PIC16F873A單片機為主控芯片對硬件電路進行了設計，實現了電磁機構的智能控制。

軌道交通真空斷路器；電磁機構；IGBT

TDV10真空斷路器目前配用的是氣動操動機構，由于氣動操動機構的運行中容易出現漏氣的現象，使機構的可靠性得不到保障。因此設計了新型的單穩態電磁操動機構來代替原有的氣動操動機構。電磁操動機構由動鐵心、靜鐵心、合閘線圈和保持線圈組成，此機構合閘過程要克服的機械反力比較大，并且要保證一定的合閘速度，所以采用了電容儲能勵磁。合閘前預先給大電容充上足夠的電壓，合閘過程中依靠電容的放電電流來給線圈勵磁。

本文針對該電磁操動機構研究設計了基于 PIC單片機的控制系統，保證電容器在斷路器要求的時間內充上足夠的電能并在線檢測開斷過程中的電壓、電流等參數。將此控制系統安裝在TDV10真空斷路器上，通過實驗測試其合分閘時間、合分閘速度等參數，證明所設計的控制系統滿足斷路器的要求。

1　電磁機構控制器總體設計

控制器總體方案如圖1所示。直流電壓 DC 110V由機車提供，通過電容充電控制單元向儲能電容充電，當儲能電容上的電壓值達到設定的電壓值（DC 400V）時，PIC單片機發出指令，停止向儲能電容充電，儲能電容為合閘線圈提供合閘操作所需要的能量。PIC單片機檢測并接收機車上給出的合分閘控制信號，通過對檢測信號的分析和處理，由PIC單片機發出合分閘控制信號經過合分閘邏輯判斷電路及IGBT驅動電路來控制IGBT關斷。針對升壓電路部分，通過調節PWM的占空比可以改變電磁機構激磁線圈電流幅值，實現對電磁機構觸頭運動速度的調節，以此來調節合分閘速度，使其達到斷路器要求范圍。

圖1　控制器總體方案圖

2　電磁機構控制器的主驅動電路

圖2為電磁機構合閘線圈和保持線圈的主驅動電路，圖中上面的電路是合閘線圈的驅動電路，合閘線圈需要的勵磁電流比較大并且是短時工作，可以采用電容儲能激勵。機車上提供有足夠大功率的直流屏，因此可以省去復雜的電源模塊，直接將此110V電壓通過升壓電路提升到400V并將電能充到儲能電容上。升壓電路采用典型的DC-DC Boost升壓電路，由升壓電路的原理可知此電路的輸出電壓為：

式中，U0為電路的輸出電壓（這里為電容器上的電壓），ton和toff分別為充電時間內IGBT VT1導通的時間和關斷的時間，E為直流電源電壓（這里是直流屏上的電壓 110）。由式（1）可以知道只要調節TGBT通斷的占空比就可以調節電容上的電壓大小，本控制器用單片機輸出PWM波形，通過調節其占空比來調節充電電壓的大小。

圖2　電磁機構的主驅動電路

IGBT屬于電壓型驅動器件，由外部電路來控制它的導通和關斷。用來保證 IGBT的導通和關斷的電路就是驅動電路，驅動電路的另一個作用就是可以起到電氣隔離的功能。電磁操動機構控制系統主電路的核心是由IGBT構成的升壓電路，IGBT的可靠驅動是控制系統能夠穩定運行的關鍵。本文根據主電路的要求，選用M57962L作為IGBT的驅動芯片。

采用M57962L的IGBT驅動電路如圖3所示。

驅動電路的工作過程為：當 IGBT發生過電壓現象或者過電流現象，IGBT的集電極電壓將會達到15V甚至更高，而隔離二極管VD1、VD2此刻就會截止。如果要使IGBT截止，由于M57962L的1腳為15V高電平，則需將M57962L的5腳置為低電平，與此同時將8腳置為低電平，進而光電耦合器開始工作，并驅動外接電路將輸入端13腳置為高電平。穩壓二極管VZ1的作用是防止隔離二極管VD1、VD2擊穿，保護M57962L不受損壞。為了保證IGBT的基極不受擊穿，選擇 VZ2、VZ3組成限幅器來進行保護。

圖3　IGBT驅動電路圖

3　充電電容電壓檢測電路

斷路器可靠合閘的前提條件是電容器的電壓達到要求，儲能電容能量不足時合閘會因動作力不足而使合閘操作失敗。因此當電容器電壓不足是應該禁止合閘。充電電容電壓檢測電路如圖4所示。

圖4　充電電容電壓檢測電路

該電路的工作原理為：電路輸入端與儲能電容相連接，檢測到的儲能電容兩端電壓值范圍在 0～400V，電壓信號經由一個霍爾電壓傳感器，變為電流信號，經由電阻又變為電壓信號，經過放大電路提供給單片機的信號是0～4V的電壓信號。

4　分合閘信號判斷電路

分合閘信號邏輯判斷電路中，RD2—RD4接收單片機發出的合分閘信號，其中RD2控制分閘線圈；RD3控制保持線圈；RD4控制合閘線圈。RC3作為狀態保護信號的輸入，始終為高電平信號。若系統出現故障，則RC3給出低電平信號，分閘、合閘、保持線圈均不工作。RD1與PWM1控制升壓電路中的IGBT的開斷和關合以及其占空比的調節。分合閘信號邏輯判斷電路如圖5所示。

5　電磁機構控制器的實驗測試

控制器設計完成后，為驗證其是否滿足斷路器所要求的性能，將其與新設計的真空斷路器電磁操動機構配用，將TDV1真空斷路器現在所采用的氣動機構卸掉，換上該電磁操動機構，運用所設計的控制系統來驅動真空斷路器的傳動機構和滅弧室。

圖5　分合閘信號判斷電路

本次合分閘特性實驗中，合閘特性實驗主要測試了主觸頭的合閘動作時間和彈跳時間，此外還測試了合閘位移特性、合閘線圈的勵磁電流變化特性和合閘儲能電容的電壓特性。各參數的測量方法如下：

1）主觸頭的合閘動作時間和彈跳時間。在斷路器主觸頭上串聯一個1k電阻，加24V直流電壓，測量斷口兩端的電壓，如果斷口兩端的電壓為24V，表明主觸頭處于分閘狀態；如果斷口兩端的電壓為0V，表明主觸頭處于合閘狀態。根據這個信號，可以測出主觸頭的合閘動作時間和彈跳時間。

2）合閘位移特性。將位移傳感器的光束打在滅弧室的驅動部件上，利用位移傳感器將運動部件的位移轉換成與之成比例的電壓，再利用示波器的電壓探頭測出合閘位移特性。

3）合閘線圈的勵磁電流變化特性。在合閘線圈上套上電流差分探頭，利用示波器測量合閘線圈的勵磁電流變化特性。

4）合閘儲能電容的電壓變化特性。將電壓差分探頭夾在合閘儲能電容的電極上，利用示波器測量合閘儲能電容的電壓變化特性。

圖6是分合實驗過程中各參數的波形圖，其中，通道一為合閘線圈的勵磁電流變化特性，通道二波形為合閘儲能電容的電壓特性，通道三波形為主觸頭斷口兩端的電壓，通道四波形為合閘位移特性。本實驗合閘和分閘測試各做5次，得到五組數據。對數據進行處理可得到分閘和合閘的時間見表1。由表中可以看出 5次的分合閘時間都在斷路器要求的20～60ms之內，說明所設計的控制器是合理的。

圖6　實驗中各參數波形圖

表1　分合閘時間統計表

6　結論

本控制器是采用以 PIC16F873A為核心的控制系統，采用DC-DC升壓電路給電容充電，通過大功率 IGBT的可控關斷，控制大容量電容器電磁機構磁機構的分合閘線圈放電實現斷路器動作，并對電容電壓、斷路器狀態進行實時監測，實現了電磁機構真空斷路器的智能控制。

［1］ 王兆安，黃峻. 電力電子技術［M］. 北京︰機械工業出版社，2004.

［2］ 李朝青. PC 機及單片機數據通信技術［M］. 北京︰北京航空航天大學出版社，2000.

The Design of Rail Transit Vacuum Circuit Breaker Electromagnetic Mechanism Controller

Che Huan1Ma Shaohua1Rao Pan2
（1. Shenyang University of Technology，Shenyang110023；2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd，Zhuzhou，Hu’nan412001）

This paper introduces the design of electromagnetic mechanism base on IGBT. The hardware is designed，using PIC16F873A as the master controller，which realize the intelligent control of electromagnetic mechanism.

rail transit vacuum circuit breaker；electromagnetic mechanism；IGBT

車煥（1982-），女，沈陽工業大學在讀博士，主要研究方向為智能電器。