基于直流屏电源及PWM控制的永磁断路器控制器设计

1、基于直流屏电源及PWM控制的永磁断路器 控制器设计陈建平 钱昱澎 （西安森源开关技术研究所有限公司）2012.12【摘 要】 本文介绍了目前国内高压永磁断路器常用的分、合闸线圈电源的使用方案及控制方法。指出了此种方法的缺陷,介绍了一种基于直流屏电源及PWM控制的方案。【关键词】永磁断路器; 直流屏; PWM; 运动控制; 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、 引言在中压真空断路器领域目前主要有三种操动机构:弹簧操动机构、电磁操动机构、永磁操动机构。前二种操动机构使用已经相当普遍,可靠性已达到了很高的水平,但也存在明显的缺点。

3、弹簧操动机构存在零部件多,装配精度要求高和机械磨损严重的缺点;而电磁操动机构的分、合驱动电流很大,需要有专用的直流电源。永磁操动机构是一种采用永磁保持、电子控制的电磁操动机构,工作时主要运动部件只有一个,无需机械脱、锁扣装置,故障源少。因此具有结构简单、耐磨损、可靠性高等特点。但目前国内永磁操动机构电源单元还主要采用储能电容器来为线圈供电, 电容器作为供电单元主要具有充电时间短、无需复杂的充电及保护电路。但电容器也有它致命的弱点,由于经过多次的充放电以及环境温的影响,电容器的容量会下降,经过实际使用测试,基本上过45年电容器需要更换。目前国内永磁操动机构的驱动控制主要采用单管IGBT方式,虽然

4、驱动电路比较简单,但是无法直接使用直流屏,对开关机械特性的调试比较麻烦。本文所述的驱动控制方案,既可采用直流屏(解决了储能电容器的缺点),也可以对断路器的合、分闸特性曲线进行软件调制,极大的提高了断路器生产调试的效率。二、 VSM永磁控制器系统功能及技术指标VSM永磁控制器是与VSM永磁真空断路器配套的智能控制单元,采用DC220V直流屏供电,主要完成断路器的开、断控制。控制器采用高性能的32位嵌入式处理器,采用PWM斩波数字调制方式,硬件采用IGBT电路方案,使控制分、合曲线更加平滑,可靠性更高。控制器中包含实时时钟,可以准确记录断路器发生的操作情况。1、具有合闸、分闸功能断路器的合、分闸操

5、作可通过远方控制台的合闸、分闸AC/DC220V信号进行,也可以通过断路器面板的合闸、分闸按钮完成。2、具有信号自动判别功能当合、分闸信号同时接收,控制器自动闭锁合闸信号,响应分闸信号。3、具有闭锁功能当两台或多台断路器联机使用,要求具有合闸闭锁功能,iSPM 500智能控制器具有此功能。4、具有合闸、分闸接近开关位置监测功能正常情况下, 断路器应可靠合闸、分闸,对应的合闸或分闸接近开关检测正确的合闸或分闸位置,控制器能自动根据接近开关检测的正确的合闸或分闸位置响应正常的合闸或分闸操作。当出现异常情况, 断路器未能可靠合闸而处于故障状态, 接近开关检测不到合、分闸位置时, 控制器具有立即发出分

6、闸信号,并封锁合闸信号的功能。5、具有防跳功能当控制器接收到合闸信号并响应合闸,机构合闸到位后, 合闸信号不取消,此时,又接收到分闸信号,控制器立即响应分闸信号,分闸响应以后,取消分闸信号,此时合闸信号仍不取消,不应该响应合闸信号,只有当合闸信号取消,再次加上合闸信号时才响应合闸动作。6、具有状态指示功能永磁智能控制器具有9种状态指示功能:电源指示灯(红色)当控制器上电以后,电源指示灯亮。准备就绪指示灯(绿色)当外部直流屏电压在145V265V范围内,准备就绪指示灯亮,可以操作合、分闸。故障指示灯(黄色)当外部直流屏电压低于145V或高于265V,电压故障指示灯亮。过流指示灯当合、分闸电流超过

7、60A时过流指示灯亮,说明永磁机构线圈出现故障。合位指示灯(红色)开关在合闸位置时, 合位指示灯亮。分位指示灯(绿色)开关在分闸位置时, 分位指示灯亮。分闸指示灯(绿色)当按下断路器面板上的分闸按钮时, 或控制器接收到远方AC/DC220V分闸信号时,分闸指示灯亮。合闸指示灯(红色)当按下断路器面板上的合闸按钮时, 或控制器接收到远方AC/DC220V合闸信号时,合闸指示灯亮。合闸闭锁指示灯(红色)当启动闭锁功能时, 闭锁指示灯亮。7、继电器输出指示功能1. 继电器输出就绪信号当外部直流屏电压在145V265V范围内,继电器闭合。当外部直流屏电压低于145V或高于265V,或永磁机构既不在合闸

8、位置也不在分闸位置继电器断开。2. 继电器输出合位指示信号3. 继电器输出分位指示信号8、通讯组网说明：通讯符合标准MODBUS协议(RTU方式)传输方式RS485,波特率9600BPS,通讯地址可设定通讯响应时间0.1秒(典型值)最大通讯距离1200米,最多可连接32个控制器组网时需配置RS232/RS485转换器以便与PC电脑串口连接通讯功能主要有:1. 上位机对下位机校时功能2. 上位机对下位机设置单元通讯地址功能3. 下位机对上位机上传SOE事件记录功能4. 上位机对下位机清除SOE事件记录三、 控制器系统结构方案永磁机构控制器主要由CPU、电源模块、通讯模块、分合闸驱动单元、分合闸输

9、入信号(包括就地、远方信号) 、分合闸位置信号、直流屏电压输入、LED指示输出信号等线路组成。系统方案框图如下:永磁机构控制器是为断路器配套的核心控制单元, 具有以下主要功能:合闸、分闸及闭锁、防跳,失压脱扣,通讯,故障记录等功能。通过脉宽调制(PWM),PID控制算法,控制分、合闸的运动,具有分合闸电流过流保护功能提高断路器的可靠性和稳定性。产品的研制工作概括起来有：1.建立ARMC-OSII嵌入式操作系统平台2.初始化程序，自诊断程序，多任务调度程序3.电压检测与显示模块4.电流传感器信号通道与检测模块5.永磁机构动子驱动PWM脉宽调制数字逻辑模块6.永磁机构动子运动控制程序模块通过测试，

10、统计建立一个运动控制模型，以时间变量和电流检测量为输入量，控制电压、电流、磁通和驱动力，实现永磁机构动子运动的控制，从而控制分、合闸速度及时间，实现分合位的“软着陆”并减少分合、闸功。7.输入信号监测模块8.输出信号模块9.通讯模块：RS232就地口，用于系统的设置和定值参数更新及故障记录的查看,用户进行当地维护四、 电源及驱动方案设计本系统永磁机构驱动器采用全桥结构,在驱动线路中采用日本富士公司的IGBT器件1MBH60-100做为开关器件来控制分合闸线圈的通断,IGBT器件属于全控型开关器件,具有开关频率高、控制功率小、采用电压控制、输入阻抗高等优点,是目前使用最广泛的半导体电力电子器件。

11、IGBT的驱动电路采用美国IR公司IR2110驱动器,该驱动器件提供二个相互独立的驱动通道,具有光偶隔离(体积小)和电磁隔离(速度快)的优点,是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。图一给出了驱动线路的原理图:图一 其中,保护线路当分合闸线路电流超出60A时,保护线路发出闭锁PWM调制信号,并通知CPU发生过流保护事件。 图二给出了分合闸操作电压检测线路原理图:图二 分合闸操作电压检测是为了判断该电压是否能满足分/合闸操作的需要,当其低于或高于一定值时就要闭锁断路器分/合闸操作,防止因能量不足而导致操作失败或能量过赢而导致机械特性失效。本系统当直流屏电压在145V265V范围内,断路器可以有效

12、操作。当控制器电压在145V265V范围内时, 本系统根据电压的不同,共固化了30条PWM分/合闸曲线,由控制软件采用PWM控制调节电压、电流、磁通和驱动力，实现永磁机构动子运动的控制，从而控制最佳的分、合闸速度，实现分合位的“软着陆”并减少分合、闸功。永磁驱动单元配合VSM永磁断路器合、分闸速度及电流数据如下:电源:DC242V(合闸母线电压)合闸: 合闸速度 刚合速度 合闸电流(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分闸: 分闸速度 刚分速度 分

13、闸电流(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、 控制调制程序设计程序设计采用uc/OS-操作系统,及ARM处理器来保证程序设计的实时性、和可靠性。根据系统的需要程序设计了四个任务:任务1: 采用PWM脉宽调制PID算法进行分合闸操作任务2: 串行通讯接收数据,采用消息邮箱、信号量传递接收到的数据任务3: 串行通讯处理,解释接收到的数据进行,相关处理任务4: 初始化目标板和建立其它任务以及建立消息邮箱、信号量(串行通讯采用消息邮箱、信号量传递接收到的

14、数据),并进行失压、分、合闸按钮判断。以及中间位分闸、防跳、合闸闭锁判断。任务的优先级别如下:程序采用了2个中断源:定时器O中断;UART0中断定时器0中断作为uc/OS-时钟节拍的基准源UART0中断作为实时通讯来用中断的优先级别如下:定时器0中断: 低UART0中断: 高主要程序流程如下:六、 后续工作展望基于直流屏电源及PWM控制的永磁断路器控制器设计达到了预期目标,已经在电力用户得到了大量应用。在完成VSM永磁断路器控制器的基础上,目前我们又开展了以下工作:1、iVSM控制器的研制iVSM 与VSM的主要不同在iVSM把中压电子式电流（ECT）、电压互感器(EPT)集成到开关本体上，从

15、而能够实现标准要求的继电保护功能，如瞬动过流保护、短延时定时限/反时限过流保护、长延时反时限过载保护、高压电机起动保护、防合闸涌流，乃至自动重合闸功能。同时能够实现电流、电压、频率、功率的测量及上报，使iVSM永磁真空断路器成为可通讯智能电器，配套的ECT主要电气参数为： 输出两组信号：一组为保护用信号；一组为测量用信号。 额定电压12KV，额定电流600、1000、2000A。 保护信号额定电压200mV；测量信号额定电压4V。 保护信号的动态工作区为120倍额定值；测量 信号的动态工作区为0.11.2倍额定值。 输出信号与一次电流的导数成线性正比例；相移90，角差和比差允许值分别为保护信号

16、5，测量信号0.2。 频率响应范围0.520倍基波。 负载能力1000欧姆。 温度系数应满足2555工作范围温度变化的信号精度要求。 应采取必要的屏蔽措施防止相间串扰(相距150mm)，以满足极柱总装后的上述幅相及频率的精度要求。 其余要求应符合IEC60044-8。 2、选相控制器的预研制同步开关需要每相都配置有一个独立的永磁操作机构,VSM永磁断路器控制器的研制将为同步断路器的研发打下良好基础，创造有力条件。同步断路器目前越来越受到人们的关注，因为它的分合动作能够与电网电压或电流的相位同步操作。为了实现同步操作，首先要精确检测电网电压或电流的相位，同时要保证同步断路器的分合闸动作时间稳定可控，因而控制器应该是闭环控制系统，并且能够对断路器触头磨损进行补偿。同步断路器用于投切电容器组，可以有效地抑制操作涌流和操作过电压。与传统的串连电抗器、投切过程插入电阻器或