基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路设计

唐英 陈德凯 杨春孟 杨建荣 周雪燕

【摘 要】在当今社会经济与科学技术的不断发展之中，人们对于供电质量也有着越来越高的要求，因此在变电站之中，尤其是变电站的自动电力电子系统，更是对配电网络的底层开关有着更高的技术要求。基于这一情况，本文研究了一种基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路的设计，希望可以对变电站供电质量的提升有所帮助。

【关键词】变电站;IPM模块;智能断路器;电动底盘车;控制电路

前言

本次研究主要是为了与当今智能化的断路器发展相适应，对智能断路器电动底盘车的控制电路进行设计。在这一装置之中，主要应用的是IPM智能功率模块，以此对底盘车的电机功率起到驱动作用。同时也引进了电机电流的闭环控制技术以及PWM脉宽调控技术，让电机转速以及工作状态得到良好的监控与保护。

一、电动底盘车控制系统H桥电路的工作原理分析

在电动底盘车电机的工作过程中，主要是通过正反转的形式进行，所以在设计时，将H型双极性的可逆PWM驱动系统应用到了其中。这个系统之中主要有四个续流的二极管和四个开关管，通过单电源的形式进行供电。在这四个开关管之中，V1和V4组成一组，V2和V3组成另一组，在同一组中，开关管的导通或者是断开同步进行，不同组的通断则刚好相反。在每一个PWM的周期之中，如果控制信号Ui1处于高电平的状态，就会导通V1和V4，这时候的控制信号Ui2将处于低电平的状态，所以V2和V3也就会停止，电枢绕组所承受的是正向电压。如果控制信号Ui2处于高电平的状态，就会导通V2和V3，这时候的控制信号Ui1将处于低电平的状态，所以V1和V4也就会停止，电枢绕组所承受的是反向电压[1]。也就是说，在每一个PWM的周期之中，电枢电压都要经历一次正向的变化和一次反向的变化，这种变化也就是我们所说的“双极”。而电枢平均电压可以表示为：

U0=（ - ）US=（2 -1）US=（2α-1）US。

通过以上的公式可以得出，在双极性可逆PWM的驱动过程中，占空比α对电枢绕组承受的平均电压起到决定性作用。在α为0的时候，U0=-US，此时的电机处于反转状态，而且转速达到最大。在α为0.5的时候，U0为0，此时的电机处于停止状态，但是此时依然有交变电流在电枢绕组之中流动，这样就会让电机产生一种高频振荡，这种振荡不仅有助于电机对负载静摩擦的克服，也可以让电机的动态性能得以有效提升[2]。

二、PWM在L292基础上的控制电路设计

L292属于意大利SGS公司所研发的第三代伺服控制专用的集成电路，拥有很多功能的单元电路都集成在了L292的芯片之中，所以，在设计过程中，仅仅在外部加上少数的一些元件，一个完整的电流环就可以顺利组成。只要电动底盘车与其操作的条件相符合，并且能够接收到相关的控制指令的情况下，CPU所发送出来的控制指令就会让L292之中产生两路有着相同频率的PWM波，这两路PWM波的波形又可以实现互补，在这两路PWM波的作用下，底盘车的电机也将开始工作。在这一 过程之中，采样电阻会获得一个电枢电流的反馈信号，然后将这个反馈信号输送到L292的2脚以及14脚之中，通过片内的差分放大电路，这个反馈信号就可以被放大，并将检测到的电流输送到L292之中的6脚，与控制信号一同被输送到片内的运放反相端，这样就可以得出电机电流之中的误差信号，并将这个电流误差信号输送到电流环调节器之中，利用PID控制算法来进行调节，经过调节之后，就会生成一个对系统进行控制的信号，这个控制信号可以对PWM波的输出进行控制，这样就可以让电动底盘车得到有效的闭环控制。

三、IPM模块驱动电路的设计

相比较IGBT模块而言，IPM模块具有内置的驱动电路，可以实现短路保护、过流保护、欠压保护以及过热保护等，也可以实现报警信号的输出。这个系统主要应用的是日本富士IPM模块的芯片来驱动电机功率，在IPM模块的内部安装了六个IGBT，可以在450伏、30安的条件下工作，其功率保护器最大的开关频率可以达到60kHz[3]。驱动电路以及保护电路是IPM本身所具有的功能，所以通过这一模块的应用，可以让系统的硬件电路设计得以进一步简化，设计过程中，仅仅需要保障提供出的PWM信号满足驱动功率的需求，同時提供出驱动电路的电源，并提供出相应的电气隔离装置来防止干扰即可。

（一）IPM驱动电路的电源设计

在IPM模块的应用过程中，对于驱动电路的输出电压有着十分严格的要求，驱动电路的电压范围一定要控制在15V±10%，如果驱动电路的电源电压在13.5伏以下，IPM模块就会进行欠压保护，如果驱动电路的电源电压在16.5伏以上，IPM模块内部的一些部件就很可能被烧毁。同时，驱动电压也应该相互隔离，这样才可以有效防止地线噪声的干扰。在驱动电源之中，绝缘电压应该超过IPM模块极间反向耐压值的两倍。所以，在对IPM驱动电路的电源进行设计时，所制定的方案一定要具有足够高的质量[4]。在这一系统之中，应该专门为这个IPM模块配置一个驱动电路的电压，将这一模块之中的四路电压都控制在15伏，并且将这四路电压相互隔离开来，这样才可以为IPM模块的供电提供出更多的便利。

（二）IPM接口隔离电路的设计

通过IPM模块的应用，可以对系统之中输入的信号进行控制，通过高共模比、高速度的IPM结构专用光耦隔离之后，再将信号输送到IPM输入端，在此过程中，光耦起到了极短寄生延时的作用，可进一步保障IPM开关的安全性，由于其瞬间的共模比可以达到10kV/μs以上，所以可以将IPM结构之间的信号隔离开来。

四、基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路的试验验证

（一）底盘车的电动操作

将底盘车与断路器共同安装到开关柜之中，在机械与电机闭锁等条件满足的情况下，就可以对电动底盘车进行电动操作的试验。试验过程中，发现底盘车的电动摇进以及电动摇出都可以正常工作，通过试验发现，在电压为额定电压的情况下，底盘车电机工作过程中，最大的电流可以达到1.487安，摇进的工作时间可以达到24.36秒。

（二）底盘车的超时保护试验

将底盘车超时保护的启动时间设置成18秒，在底盘车启动的同时，对其电机的电流信号予以实时监测。在本次试验过程中，虽然底盘车在电压为额定电压的情况下的摇进工作时间以及摇出工作时间都是26秒左右，但是当底盘车运行到18秒的时间之后，超时保护功能就会启动，底盘车的工作也就会随之停止。

（三）底盘车的堵转保护试验

在底盘车进行电动摇出的过程中，将一个金属块放置在底盘车的框架之内，以此来对机械卡滞故障进行模拟，在底盘车启动的同时，对其电机之中的电流信号进行实时监测。通过监测可以发现，在底盘车发生电机堵转故障的时候，其电机之中的电流就会迅速增加，当电机之中的堵转电流增加到2.14安的时候，堵转保护这一功能就会自动启动，而底盘车的动作也会随之迅速停止。

结束语

综上所述，智能化开关设备已经在当今的变电站之中得以广泛应用，并凭借其自身的优势，为变电站之中相关设备的运行及其安全性提供出有效的保障。将基于IPM模块的智能断路器电动底盘车控制电路应用到变电站之中，可以快速实现对电机转速的控制，并对电路的运行起到良好的保护作用，让电动底盘车实现软启动以及软停止的操作目标。这对于变电站供电质量的提升和供电安全性的保障都将起到十分积极的促进作用。相信随着科学技术的不断发展，IPM模块下的智能断路器电动底盘车控制电路将会在变电站之中发挥出更加强大的作用与优势，这对于电力行业的发展以及人们用电需求的满足也将带来更大的帮助。

参考文献：

[1]宋汉梁，杨天，修连成，等.基于IPM模块的并网逆变器系统实验平台设计[J].电工电气，2019（4）：24-29.

[2]吴志军，谈英姿，许映秋.基于IPM的无刷直流电机驱动器电路设计与实现[J].工业控制计算机，2017（3）：123-125.

[3]张文彬.基于DSP的IPM高频环逆变电源设计[J].舰船电子工程，2017（5）：142-145.

[4]尹全杰，杨代民.应用IPM模块的优势与注意事项[J].魅力中国，2017（5）：214.

（作者单位：云南电网有限责任公司昆明供电局）