智能大功率开关驱动控制器设计

2012-07-05阮艳辉

科技传播 2012年6期

阮艳辉

信阳师范学院物理电子工程学院，河南信阳 464000

0 引言

随着科学技术的不断进步，出现了学科交叉渗透和边缘学科的现象，科学技术进而趋向整体化、交叉化、综合化和定量化。这些变化为电气学科的发展提供了有利环境，推动了高压开关设备向智能化发展。很多中、高压断路器及气体绝缘全封闭组合电器智能化程度的不断提高，将使供电可靠性提高、监测能力增强、恢复供电加快、运行维护更经济、方便，并及时、有效地完成各种功能控制。

1 控制器的工作原理

1.1 控制器原理的理论分析

本智能永磁开关控制器就是采用弱电系统控制大电容蓄能装置瞬时释放出高压大电流，以此驱动直流电磁铁工作，直流电磁铁铁心导杆进而发生可控距离的直线运动，该直线运动带动高压开关的闭合与断开。本控制器可实现高压断路器的快速闭合与断开，且运行可靠性高；系统同时做到强弱电系统的隔离，从而保证操作人员的人身安全。且本控制系统可实现在线操作和远程遥控操作，提高了操作的智能化水平。

控制系统涉及到两个时间参数：一个是大电容的充电参数，一个是大电容的放电参数。直流电磁铁的操作响应时间是微控制器控制的关键参数。控制系统的目的要实现永磁体快速的直线运动，而且驱动力要足够大，控制器就是要提供电磁铁工作的大直流电流，就是要保证蓄能大电容的充电时间。当电流过大时又极易造成电子设备器件的损伤。为了在极短的时间内实现永磁体的运动，达到要求的工作行程，且不会烧坏电子设备器件，故要严格控制给直流电磁铁的供电时间。

电容充电公式：设v0为电容上的初始电压值；v1为电容最终可充到或放到的电压值；vt为t时刻电容上的电压值。则

vt=v0+（v1-v0）*[1-exp（-t/RC）]或 t =RC*1n[（v1-v0）/（v1-vt）]

针对实验电路投中继电器强电短，满足一个450V，Hµ680的大电容充放电来带动两继电器的开关。强电部分电路图简化如下所示：

图1 电路简化图

220V工频电压经整流桥整流后在R2稳压下对C1充电，当充满后对负载电路放电，由于能量较大，放电时间较短，会产生一个瞬时高脉冲电流，这个高脉冲电流会驱动继电器[1]，并由继电器使后续电路工作。用multisim对负载电路的放电过程进行仿真，仿真结果如图2示。

图2 负载电压仿真图

1.2 核心控制器构架

本控制系统的核心采用如下结构（如图3）。

图3 智能永磁开关的原理方框图

本控制系统可实现在线操作和远程遥控操作，提高了操作的智能化水平。通过继电器实现了强弱电的隔离，避免强电系统大幅度的电压、电流变化对弱电系统的影响，保证弱电控制系统的稳定性。而本设计中考虑到使用单个继电器，难以判定直流输出方向，故采用了双继电器连接技术，巧妙地解决了这一问题。

本控制器由外电网引入电流通过两个磁盘（滤去外电网的杂波和各种干扰谐波），一部分供给整流桥，一部分供给变压器。供给整流桥的那部分交流电源通过一个热敏电阻（起到保险丝作用），接入一个整流桥，给大电容供电。

1.3 控制器的抗干扰性及优点

从本质上说，硬件抗干扰[2]是主动的，软件抗干扰是被动的，且二者是相辅相成，缺一不可的。实践证明，只有从硬件和软件两个方面采取措施，才能有效地排除干扰信号的影响，使系统稳定性得到提升。硬件方面提高系统稳定性设计分别采用接地的抗干扰处理，隔离与屏蔽处理，对信号的滤波处理，以达到抗干扰的效果。软件方面的设计主要运用指令冗余技术，软件陷阱技术和看门狗技术。

智能大功率开关驱动控制器的优点是稳定性好、传输速度快、抗干扰能力强。智能大功率开关驱动控制器单独使用专门的信号线，不受其他如电力线、无线电等辐射杂波干扰，产品操作稳定性非常强。而且自主研发的产品电力损耗小，散热速度快，使用寿命长。性能方面的稳定将决定传输信号的速度和抗干扰能力。

2 永磁机构断路优越性能

同步开合可抑制因开合电容或电感性负荷场合的时刻不适当，而引起涌流或是过电压现象，也就是按相位和断路器的固有动作时间操作。当同步断路器工作时，不论何时接到由人工或遥控方式传来的控制信号时，其断路器动作均同步于电网电源的电压或电流。当操作信号到来时，控制单元保证断路器的触头能精确地在正确位置合上或断开。这样，理论上可以做到开合特殊负载时完全没有涌流或是过电压的产生。

采用永磁操动机构的断路器允许在一个闭环的控制中使用某种补偿算法将环境温度、触头磨损、机构老化等因素都计算在内，并对脱扣命令发出后铁心的运动进行全程控制。从而可保证在长期的运行中断路器的操作时间保持在一个稳定的水平。永磁机构的驱动部件结构简单且紧凑，为每相极柱配置独立的磁力驱动器较弹操机构而言更易实现。永磁机构断路器的另一重要优势是可以执行极端快速的操作顺序。这使永磁断路器特别适应于关合时间低至60ms及无电流时间小于0.1s的快速自动重合闸操作。