基于IPM模塊的智能斷路器電動底盤車控制電路設計

唐英 陳德凱 楊春孟 楊建榮 周雪燕

【摘 要】在當今社會經濟與科學技術的不斷發展之中，人們對于供電質量也有著越來越高的要求，因此在變電站之中，尤其是變電站的自動電力電子系統，更是對配電網絡的底層開關有著更高的技術要求。基于這一情況，本文研究了一種基于IPM模塊的智能斷路器電動底盤車控制電路的設計，希望可以對變電站供電質量的提升有所幫助。

【關鍵詞】變電站;IPM模塊;智能斷路器;電動底盤車;控制電路

前言

本次研究主要是為了與當今智能化的斷路器發展相適應，對智能斷路器電動底盤車的控制電路進行設計。在這一裝置之中，主要應用的是IPM智能功率模塊，以此對底盤車的電機功率起到驅動作用。同時也引進了電機電流的閉環控制技術以及PWM脈寬調控技術，讓電機轉速以及工作狀態得到良好的監控與保護。

一、電動底盤車控制系統H橋電路的工作原理分析

在電動底盤車電機的工作過程中，主要是通過正反轉的形式進行，所以在設計時，將H型雙極性的可逆PWM驅動系統應用到了其中。這個系統之中主要有四個續流的二極管和四個開關管，通過單電源的形式進行供電。在這四個開關管之中，V1和V4組成一組，V2和V3組成另一組，在同一組中，開關管的導通或者是斷開同步進行，不同組的通斷則剛好相反。在每一個PWM的周期之中，如果控制信號Ui1處于高電平的狀態，就會導通V1和V4，這時候的控制信號Ui2將處于低電平的狀態，所以V2和V3也就會停止，電樞繞組所承受的是正向電壓。如果控制信號Ui2處于高電平的狀態，就會導通V2和V3，這時候的控制信號Ui1將處于低電平的狀態，所以V1和V4也就會停止，電樞繞組所承受的是反向電壓[1]。也就是說，在每一個PWM的周期之中，電樞電壓都要經歷一次正向的變化和一次反向的變化，這種變化也就是我們所說的“雙極”。而電樞平均電壓可以表示為：

U0=（ - ）US=（2 -1）US=（2α-1）US。

通過以上的公式可以得出，在雙極性可逆PWM的驅動過程中，占空比α對電樞繞組承受的平均電壓起到決定性作用。在α為0的時候，U0=-US，此時的電機處于反轉狀態，而且轉速達到最大。在α為0.5的時候，U0為0，此時的電機處于停止狀態，但是此時依然有交變電流在電樞繞組之中流動，這樣就會讓電機產生一種高頻振蕩，這種振蕩不僅有助于電機對負載靜摩擦的克服，也可以讓電機的動態性能得以有效提升[2]。

二、PWM在L292基礎上的控制電路設計

L292屬于意大利SGS公司所研發的第三代伺服控制專用的集成電路，擁有很多功能的單元電路都集成在了L292的芯片之中，所以，在設計過程中，僅僅在外部加上少數的一些元件，一個完整的電流環就可以順利組成。只要電動底盤車與其操作的條件相符合，并且能夠接收到相關的控制指令的情況下，CPU所發送出來的控制指令就會讓L292之中產生兩路有著相同頻率的PWM波，這兩路PWM波的波形又可以實現互補，在這兩路PWM波的作用下，底盤車的電機也將開始工作。在這一 過程之中，采樣電阻會獲得一個電樞電流的反饋信號，然后將這個反饋信號輸送到L292的2腳以及14腳之中，通過片內的差分放大電路，這個反饋信號就可以被放大，并將檢測到的電流輸送到L292之中的6腳，與控制信號一同被輸送到片內的運放反相端，這樣就可以得出電機電流之中的誤差信號，并將這個電流誤差信號輸送到電流環調節器之中，利用PID控制算法來進行調節，經過調節之后，就會生成一個對系統進行控制的信號，這個控制信號可以對PWM波的輸出進行控制，這樣就可以讓電動底盤車得到有效的閉環控制。

三、IPM模塊驅動電路的設計

相比較IGBT模塊而言，IPM模塊具有內置的驅動電路，可以實現短路保護、過流保護、欠壓保護以及過熱保護等，也可以實現報警信號的輸出。這個系統主要應用的是日本富士IPM模塊的芯片來驅動電機功率，在IPM模塊的內部安裝了六個IGBT，可以在450伏、30安的條件下工作，其功率保護器最大的開關頻率可以達到60kHz[3]。驅動電路以及保護電路是IPM本身所具有的功能，所以通過這一模塊的應用，可以讓系統的硬件電路設計得以進一步簡化，設計過程中，僅僅需要保障提供出的PWM信號滿足驅動功率的需求，同時提供出驅動電路的電源，并提供出相應的電氣隔離裝置來防止干擾即可。

（一）IPM驅動電路的電源設計

在IPM模塊的應用過程中，對于驅動電路的輸出電壓有著十分嚴格的要求，驅動電路的電壓范圍一定要控制在15V±10%，如果驅動電路的電源電壓在13.5伏以下，IPM模塊就會進行欠壓保護，如果驅動電路的電源電壓在16.5伏以上，IPM模塊內部的一些部件就很可能被燒毀。同時，驅動電壓也應該相互隔離，這樣才可以有效防止地線噪聲的干擾。在驅動電源之中，絕緣電壓應該超過IPM模塊極間反向耐壓值的兩倍。所以，在對IPM驅動電路的電源進行設計時，所制定的方案一定要具有足夠高的質量[4]。在這一系統之中，應該專門為這個IPM模塊配置一個驅動電路的電壓，將這一模塊之中的四路電壓都控制在15伏，并且將這四路電壓相互隔離開來，這樣才可以為IPM模塊的供電提供出更多的便利。

（二）IPM接口隔離電路的設計

通過IPM模塊的應用，可以對系統之中輸入的信號進行控制，通過高共模比、高速度的IPM結構專用光耦隔離之后，再將信號輸送到IPM輸入端，在此過程中，光耦起到了極短寄生延時的作用，可進一步保障IPM開關的安全性，由于其瞬間的共模比可以達到10kV/μs以上，所以可以將IPM結構之間的信號隔離開來。

四、基于IPM模塊的智能斷路器電動底盤車控制電路的試驗驗證

（一）底盤車的電動操作

將底盤車與斷路器共同安裝到開關柜之中，在機械與電機閉鎖等條件滿足的情況下，就可以對電動底盤車進行電動操作的試驗。試驗過程中，發現底盤車的電動搖進以及電動搖出都可以正常工作，通過試驗發現，在電壓為額定電壓的情況下，底盤車電機工作過程中，最大的電流可以達到1.487安，搖進的工作時間可以達到24.36秒。

（二）底盤車的超時保護試驗

將底盤車超時保護的啟動時間設置成18秒，在底盤車啟動的同時，對其電機的電流信號予以實時監測。在本次試驗過程中，雖然底盤車在電壓為額定電壓的情況下的搖進工作時間以及搖出工作時間都是26秒左右，但是當底盤車運行到18秒的時間之后，超時保護功能就會啟動，底盤車的工作也就會隨之停止。

（三）底盤車的堵轉保護試驗

在底盤車進行電動搖出的過程中，將一個金屬塊放置在底盤車的框架之內，以此來對機械卡滯故障進行模擬，在底盤車啟動的同時，對其電機之中的電流信號進行實時監測。通過監測可以發現，在底盤車發生電機堵轉故障的時候，其電機之中的電流就會迅速增加，當電機之中的堵轉電流增加到2.14安的時候，堵轉保護這一功能就會自動啟動，而底盤車的動作也會隨之迅速停止。

結束語

綜上所述，智能化開關設備已經在當今的變電站之中得以廣泛應用，并憑借其自身的優勢，為變電站之中相關設備的運行及其安全性提供出有效的保障。將基于IPM模塊的智能斷路器電動底盤車控制電路應用到變電站之中，可以快速實現對電機轉速的控制，并對電路的運行起到良好的保護作用，讓電動底盤車實現軟啟動以及軟停止的操作目標。這對于變電站供電質量的提升和供電安全性的保障都將起到十分積極的促進作用。相信隨著科學技術的不斷發展，IPM模塊下的智能斷路器電動底盤車控制電路將會在變電站之中發揮出更加強大的作用與優勢，這對于電力行業的發展以及人們用電需求的滿足也將帶來更大的幫助。

參考文獻：

[1]宋漢梁，楊天，修連成，等.基于IPM模塊的并網逆變器系統實驗平臺設計[J].電工電氣，2019（4）：24-29.

[2]吳志軍，談英姿，許映秋.基于IPM的無刷直流電機驅動器電路設計與實現[J].工業控制計算機，2017（3）：123-125.

[3]張文彬.基于DSP的IPM高頻環逆變電源設計[J].艦船電子工程，2017（5）：142-145.

[4]尹全杰，楊代民.應用IPM模塊的優勢與注意事項[J].魅力中國，2017（5）：214.

（作者單位：云南電網有限責任公司昆明供電局）