电力机车用永磁机构断路器控制器的研制

2011-08-08甄旭峰苏安社王俊峰吴荣平杨建明

铁道机车车辆 2011年6期

甄旭峰，苏安社，王俊峰，吴荣平，杨建明

（北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京100176）

随着我国铁路的发展，电力机车数量在急剧上升，因而电力机车用真空主断路器的可靠性要求也越来越高。永磁机构以其结构简单、运行可靠、经久耐用等优点被广泛应用于真空断路器的驱动。它克服了传统机构的缺点，充分发挥了真空断路器的优点［1］，为研制新一代免维护断路器奠定了基础。

1 永磁机构断路器构成及原理

电力机车用永磁机构真空断路器，包括真空泡、上绝缘子、下绝缘子、连接杆、储能电容、永磁操动机构和控制器，如图1所示。真空泡内装有静触头及动触头，动触头与永磁操动机构的电磁铁构成直动式结构，不仅结构简单、零部件少，而且可靠性高、易于安装。永磁机构中动磁体带动连接杆的上下运动，进而使真空泡动静触头闭合或断开。

图1 永磁机构真空断路器结构图

单稳态永磁机构采用单个线圈，与双稳态永磁机构相比体积更小、所需操作功率也小。当永磁机构处于分闸位置时，线圈中无电流，动铁芯与静铁芯分离，且具有一定的距离，动铁芯受到永磁体的吸力很小，分闸弹簧使动铁芯保持在分闸位置。当永磁机构处于合闸位置时，动铁芯和静铁芯接触在一起，线圈中无电流，永磁体产生的吸力使机构保持在合闸位置，分闸弹簧处压缩状态。

当永磁机构断路器分闸时，控制器控制储能电容快速放电，使线圈流过大电流，线圈在动铁芯处产生的磁场与永磁体在此处产生的磁场方向相反，减小动铁芯受到的向上吸力，随着线圈电流的增大，动铁芯受到的电磁吸力逐渐减小，当电磁吸力小于弹簧的压力时，动铁芯就会在弹簧压力的作用下，带动拉杆完成分闸动作。当机构需要合闸时，控制器控制线圈通过与分闸时相反方向的电流，使动铁芯处产生较强的磁场，由此而产生的电磁吸力带动动铁芯及动触头完成合闸动作，并使分闸弹簧储能。

2 控制器的硬件及程序设计

永磁机构控制器主要由电源模块、CPU控制模块、信号处理模块、电容电压检测模块、分合闸驱动模块和显示模块等组成，其原理框图见图2。

图2 永磁机构控制器的原理框图

单片机PIC18F25K24在接到合闸命令后，首先通过辅助开关判断断路器的分合状态，若断路器处于分闸状态，且储能电容的电压大于设定值，则使其中一组IGBT导通，储能电容正、负极分别与永磁机构的正、负极接通，储能电容瞬间放电，使得永磁机构动作，断路器闭合；反之，单片机PIC18F25K24在接到分闸命令时，使另一组IGBT导通，储能电容正、负极分别与永磁机构的负、正极接通，储能电容瞬间放电，使得永磁机构向相反的方向动作，断路器断开。

永磁机构动作需要在较短的时间内获得较大的直流脉冲电流［2］。本装置采用直流开关电源，稳定储能电容电压，同时给控制模块供电，这样就避免了因储能电容电压不稳定给永磁机构断路器造成性能降低的问题。同时，精确地设置合闸及分闸时间，控制断路器的合闸速度，消除了合闸时动触头的弹跳时间，提高了断路器的机械及电气寿命［3］。

为了保证断路器在电源发生故障时仍能正常工作，在电路设计上利用储能电容的剩余电量给控制模块供电，满足短时间内控制单元继续工作的要求。图3为储能电容及分、合闸主电路。

图3 储能电容充电及分、合闸主电路

通过设定控制器导通其中一组IGBT的时间［4］，来控制流过线圈绕组电流及电磁力，进而控制动铁芯的运动速度，动铁芯与动触头通过连接杆直动式连接，最终达到控制真空泡中动触头运动速度的目的。在调试现场，可以根据测试的波形及显示模块的数据，方便地调节分、合闸时间。图4和图5为用示波器及位移传感器测得的断路器合闸及分闸时触头的动作曲线及永磁机构的位移曲线。