35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现

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是电容器可以并联使用，而不会产生传统电池测流效应的缺点。其电路如图3-2所示[7]。

图3-2 电容充电电路

此电容电路将电压经变压器降压再接入电路中。我们接入的电流是交流电，需要经过二极管整流。电容曲充电过程如图3-3所示。

图3-3 电容电压充电过程曲线

电容起初充电的时侯,上升速率大,但随着时间的增大，电容电压缓慢上升，趋近于一条直线。当充电达到程序设定的规定值，才可以给分合闸线圈充放电，完成分合闸操作。电容充电时间由时间常决定，??RC。所以当电阻为固定值时,电容值越大,充电时间就会变成长。一般都认为电容充电时间在3τ到5τ之间比较合适。在此电路中由R和C的参数取值可计算出充电时间大约为0.1s，充电时间是比较合适的[8]。 3.3 电容电压放电模块 3.3.1励磁线圈电路设计

双稳态永磁机构分合闸可靠性是依靠电力电子开关器件实现的。本课题应用的是当前应用比较广泛的一种电力电子开关器件即晶闸管，型号为40TPS12A，其最大峰值为500A、峰值电压为800V至1200V，适用于本次电路，它具有灵敏度高、响应速度快各种优点。储能电解电容器通过变压器，二极管和限流电阻充电的能量就会通过晶闸管的开通和关断，给分合闸线圈通电，从而让永磁机构的动铁心做出相应的运动，动铁心便会移动到永磁机构的最上端或最下端并保持当前的状态，等待下一次动作才会改变当前的状态，最终来实现真空断路器的分合闸状态[9]。

晶闸管是一种有着诸多优点被广泛应用的电力电子开关器件，但它自身存在的缺点不能忽视，晶闸管的缺点是它所能承受过电流，过电压能力比不上一般的电磁器件，要

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低很多。在较短的时间里，出现过电压、过电流的情况或者电压、电流的上升率升高都会使晶闸管不能正常工作。在实际的电路中，过电压、过电流等情况都会出现，为了使电路可以正常工作，都要采取必要的保护电路。目前，普遍应用的晶闸管保护电路主要有两种：第一种是将保护元器件安装到适当的地方；第二种就是当检测出电流或者电压超过我们所设定的界定值时，使用整流触发控制系统去降低其过电流或者过电压的数值。本课题采用的是第一种保护电路，并联RC电路，不仅操作简单，而且保护效果显著。通过查阅晶闸管保护有关资料，确定RC参数的选择如下式3-1、3-2。

C=(2 ～ 4)×错误！未找到引用源。（AV） （3-1）

R=10 ～ 30 （3-2）

上式中：C为保护电容，μF；

R为保护电阻，Ω。

在本次电路设计中，根据上式子计算得出电容C的取值，联系实际电路，将电容参数值取值为0.02μF，R的取值为30Ω。

此次设计的线圈电路图中，续流电路采用了一种常用续流二极管，其型号为1N4007。它价格便宜，使用范围很广。半导体二极管内部是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的PN节构成，类似于这种电子器件，都具有单向导电的特性，电流只能从二极管的正极流到负极。当晶闸管关断时，由于线圈电感是一种储能元器件，不能很快释放电流，因此必须加续流回路，用来保护线圈，提高电路的可靠性[10]。 3.3.2晶闸管驱动电路

电力电子开关器件的驱动电路是主电路和控制电路的连接的接口，在整个电路中尤为重要，影响着整个电路。选择好的驱动电路，可以让晶闸管在理想的工作状态，使其能够减少开断时间，提高电路可靠性，还可以减少开关器件的损耗和提高整个电路的安全性。确切的说，晶闸管驱动电路就是对照我们设定的控制要求将单片机传递过来的电平信号转换成加在晶闸管控制端和公共端之间，可以让晶闸管开通或者关断。本模块采用的是普通晶闸管，属于半控型器件，因此只需要设计开通控制信号，不必提供关断控制信号就可以实现晶闸管的驱动。

此次设计的主电路模块属于强电，单片机控制电路属于弱电，强弱电之间必须要实现电气隔离。这次采用的驱动电路有两个重要的作用：第一个是驱动晶闸管，控制其开断和导通，让电流通过相应的分合闸线圈使其达到分合闸状态；第二个重要的作用是实现单片机控制电路和主电路两者间的电气隔离。目前被广泛采用的隔离方法有两种：第一种是光隔离；另一种为磁隔离。本课题的驱动电路应用光隔离即采用光耦合器，其型号为TLP250[11]。晶闸管导通必须同时满足两个前提：第一个是施加正向电压；第二个个是门极有触发电流。光耦驱动晶闸管电路图如图3-4所示。

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图3-4 光耦驱动晶闸管电路图

此次驱动的晶闸管是40TPS12A，采用的光耦器件是TLP250驱动，其输出电流为1.5A，晶闸管门极有触发电流，再通过单片机控制光耦引脚使其工作，有了正向电压便可以驱动晶闸管，控制其开断和导通。光耦TLP250引脚排列图如图3-5所示。

图3-5 TLP250引脚排列图

引脚功能如下表3-1：

表3-1 TLP250引脚功能表

引脚 功能

1 空置

2 正极

3 负极

4 控制

5 地

6 电压输出

7 电压输出

8 电源

由引脚功能图可知，光耦TLP250的8引脚接+5V电源，正负极之间应在2引脚接一个限流电阻，其电阻值参数可由式3-3计算。

R=(5-错误！未找到引用源。)/错误！未找到引用源。

（3-3）

上式中：错误！未找到引用源。为二极管管压降电压，V； 错误！未找到引用源。为TLP250正向电流，mA。

根据公式计算出结果取R值为1K。光耦芯片的供电电源电路需要同时给其他模块供电，为了避免出现电流突然增大，电压不改变的情况，外部负载会变得很小，而稳压芯片的内部阻抗将会分到更多的电压，也至于不能给光耦提供正常供电，需要在光耦电

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源引脚与地之间接入一个为100μF的电容，其作用是储能，保证光耦在电源供电回路电流突然增加的情况下也可以由储能电容供电，正常工作，提高电路的可靠性。 3.4 电容电压检测回路模块

断路器是否具有较高的可靠性的一个重要原因是电容的充电电压是否达所设定的界定值，电解电容器的能量不够时会导致产生的吸力不能满足可靠性较高的分合闸，还可能发生误动作。所以当电容电压达不到界定值的时候不允许分合闸，必须要检测电容电压的数值。电容电压值需要单片机检测，主电路的电容检测除了需要AD转换之外，还需要电气隔离，因此需要在电容电压检测电路中要加入隔离电路。常用的隔离方法有三种：第一种是变压器隔离；第二种是电容耦合隔离；第三种是光耦隔离。光耦由于其优点现在被广泛应用，比如，光耦的体积很小，电路简单容易操作，抗干扰能力强。光耦隔离分为两种：第一种为非线性；第二种为线性光耦。为了避免非线性光耦的电流受到温度的影响而使其精确度不高，此模块选择HCNR201线性光耦隔离[12]。电容电压检检测电路如图3-5所示。

图3-5 电容电压检测回路电路原理图

HCNR201线性光耦的内部是由一个发光二极管和两个光敏二极管组成。当电路有电流的时候，发光二极管就会发光从而使两个光敏二极管产生光电流。线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路如图3-6所示[13]。

图3-6 线性光耦HCNR201模拟电压隔离电路