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第二部分 ZC-30/400 电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器.
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第二部分ZC-30/400电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器第二部分ZC-30/400电力机车真空断路器永磁操动机构智能控制器
永磁操动机构真空断路器具有体积小、重量轻、结构简单、操作可靠、寿命长、免维护等特点，代表了断路器质量的一个飞跃，具有广阔的发展前景。永磁操动机构必须要在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器，可以说控制器是永磁操动机构真空断路器的核心器件之一。我公司在研制控制器的过程中，采用了当今先进的电子设计自动化技术，设计并制作了永磁操动机构专用芯片，从2003年开始试运行，2005年正式投入使用，是国内外最早把永磁操动机构专用芯片实际投入使用的公司。从2005年开始投入运行至今，经过不断的完善和提高，无论在功能上还是在性能上，已完全可以满足断路器的可靠运行要求。永磁操动机构真空断路器具有体积小、重量轻、结构简单、操作可靠、寿命长、免维护等特点，代表了断路器质量的一个飞跃，具有广阔的发展前景。永磁操动机构必须要在控制器的驱动下才能实现开关的分合操作，因此，控制器的性能优劣对断路器的性能有很大的影响，要保证断路器的可靠工作，就必须要有一个可靠的控制器，可以说控制器是永磁操动机构真空断路器的核心器件之一。我公司在研制控制器的过程中，采用了当今先进的电子设计自动化技术，设计并制作了永磁操动机构专用芯片，从2003年开始试运行，2005年正式投入使用，是国内外最早把永磁操动机构专用芯片实际投入使用的公司。从2005年开始投入运行至今，经过不断的完善和提高，无论在功能上还是在性能上，已完全可以满足断路器的可靠运行要求。
控制器硬件结构图1 ZPJ
+110v 电源模块 电容器 +5V-5V,+15V 合闸输出 电力电子 驱动模块 调 理 电 路 光 电 隔 离 CPLD智能控制模块 光 电 隔 离 电力电子控制电路 合分闸命令 分闸输出 合分闸状态信号 遥控合分闸命令 运行状态显示 电源电压监视 在线编程接口 一、系统组成的原理 智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信号输出模块、CPLD智能控制模块、电力电子驱动模块。
目前国内外采用的实现方案有3种： 1. 采用分立元件设计。分立元件设计优点是全硬件实现，但功能少、性能受限、电路复杂、缺乏灵活性，现在已很少使用； 2. 采用单片机设计。单片机方案主要采用软件编程，功能强，灵活性好，不足之处是存在飞程序问题，即CPU的指令地址指针在外部干扰下，容易发生指令脱离正常轨道使运行陷入不可预测的非法循环中，为减少这一问题的发生，需要付出很大的硬件和软件开销。 3. 采用EDA技术(Electronic Design Automation 电子设计自动化)。EDA技术是采用FPGA(Field Progrrammable Gate Array)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件做成一个控制运行的专用芯片，该项技术的特点是以以纯硬件的方式实现全部的电子控制功能，没有任何软件控制，把一个线路系统放在一片很小的芯片里面，以芯片代替电路板，这个特点非常适合永磁操动机构的控制，是一个先进而可靠的方案。
我公司采用的是第3种方案，即采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为智能控制部件，其设计过程是，借助于计算机，在EDA工具软件quartus II平台上，采用硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合、以及逻辑优化和仿真测试，直至实现规定的电子线路系统功能。这种纯硬件的实现方式在工作可靠性方面有很大的优势，这是因为硬件电路不管受到什么干扰其电路结构不会发生变化，采用EDA技术的全硬件实现方式由于非法状态的可预测性以及进入非法状态的可判断性，从而确保了从非法状态恢复到正常状态的各种措施的可行性。 我公司设计的专用芯片2005年投入使用，在运行中经受了各种严酷环境的考验，表明方案合理,设计正确，工作可靠，其性能已达到国际同类产品的先进水平，如ABB公司，其永磁操动机构真空断路器就采用的EDA技术，我们和ABB公司的技术手段是一样的，具有同样的先进性；另外，无论是性能上，还是功能上，我们的产品均可达到和超过该公司控制器的水平。
二、可靠性设计 • 1．电磁兼容性设计 永磁操动机构在运行中由于开关大电流而产生很大的电磁干扰，永久磁铁和线圈均会产生很大的磁场干扰，另外，开通和关断过程中电容充放电亦会产生幅值很大的脉冲电压和脉冲电流，会通过电源通道耦合到控制器自身，所以抗干扰问题对于控制器来说非常重要。我们在设计中采取的措施主要有： (1).电源输入加有性能优良的电源滤波器，可以防止通过 电源线的传导干扰； (2).专用芯片通过光电电路完全与外部I/O部分隔离，以 保证专用芯片安全运行； (3).模拟电路滤波和专用芯片数字滤波同时使用，确保不 会发生误动的情况； (4).电路板精心设计，精心布线，避免线路之间的串扰；
由于采用高性能的滤波器设计和抗干扰设计因而保证了控制器在恶劣的电磁干扰下仍能正确可靠地运行。由于采用高性能的滤波器设计和抗干扰设计因而保证了控制器在恶劣的电磁干扰下仍能正确可靠地运行。 • 现已通过的测试有： (1).铁道部产品质量监督检验中心依据TB/T 1333.1-2002 TB/T 1333.4-2005 TB/T 3021-2001进行的测试，技术条件全部达到要求；
(2).在国家高压电器质量监督检验中心西安高压电器研究所按GB/T11022-1999标准要求进行了测试，主要指标达到四级。主要指标如下：电快速瞬变脉冲群抗扰度试验Ⅳ级，浪涌（冲击）抗扰度试验Ⅳ级，静电放电抗扰度试验Ⅳ级，阻尼振荡波抗扰度试验III级。
(3).在中国电力科学研究院对ZPJ12-31.5 /1250断路器进行型式试验时，使用的仍是车载开关控制器，在几十次31.5 KA短路电流试验中没有出过一次问题，进一步说明控制器工作的可靠性。
2.电力电子电路的可靠性设计 电力电子电路是控制器的另一个关键部件，它的负载是一个大的电感，在开通和关断过程中会产生很大的动态dv/dt，加之工作电流很大，使器件有可能同时受到大电流、高电压和寄生电容中的位移电流的作用，所以确保这部分电路稳定可靠的工作亦很关键。 (1).在设计中使用抗冲击能力强. dv/dt性能好的IR公司 的IGBT和IGBT控制芯片； (2).精心设计电路参数,反复测试，保证输出波形好； (3).精心设计和调试吸收电路，保证驱动电路稳定工作； (4).过流保护电路，确保电力电子电路的安全运行。 (5).为防止长时间通电，采用的控制算法是：正常时采用 最短时间与开关位置信号控制，在位置信号失效时采 用最长时间控制。
3. 智能自诊断、自检测设计： 控制器采用全硬件状态机作为整个系统的工作调度，这就使其可以充分发挥全硬件电路容错技术的优势，在运行中可以对各种状态进行跟踪，可以监视各种非法状态，由非法状态转入正常状态只需要几个微秒，因而不会因进入非法状态而对系统造成影响，确保在运行中不会出现死机现象，即确保控制器永远保持在运行态。
三．永磁操动机构真空断路器的两大技术优势 • 1．运行过程可控性 可以实现闭环控制，使开关的运行时间保持稳定。这些都需要有一个灵活性很好的控制器。我公司的控制器由于采用EDA技术，完全可以满足这方面的要求。 • 2．同步开关技术 过电压和涌流一直是困扰电力机车运行的一大问题，这一问题有望通过同步开关技术加以解决。同步开关将会对过分相技术提供有力的技术支持。传统的气动机构和弹簧机构由于传动环节多、操动时间分散性大而无法实现，永磁操动机构则完全可以满足同步技术要求。因此，采用永磁操动机构真空断路器也为下一步的发展打下了基础。目前我公司正在研制同步开关产品，已通过实验室验证，即将投入试运行。在结构上开关主体部分完全不动，和现在一样，只需更换控制器即可使用，这就使开关的更新换代具有连续性。我公司始终在跟踪开关技术的前沿发展，完全有实力向用户提供最先进的开关产品。
