单稳态永磁操动机构的智能控制装置
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EA
文／沈阳工业大学电气工程学院 徐建源 孙建军 林 莘
智
能
电
器 专
单稳态永磁操动机构的
辑
智能控制装置
真空断路器因其高可靠性、免维护和安全性等特点，多 年来在中压开关领域保持领先地位。永磁操动机构是近几年 正在发展的一种新型操动机构，它利用永久磁铁产生的磁力 将真空断路器保持在分／合闸位置，而无需任何传统机械脱 扣／锁扣装置。它机构零部件少，结构简单，使断路器动作的 可靠性大大提高。二次控制回路采用电子控制模块，动作迅 速并可以实现精确时间控制，采用开关电源输入范围宽，传 感器检测开关位置，输入输出用光耦隔离，功耗低，极大地 提高了可靠性，使永磁机构真空断路器成为真正意义的免维 护智能化断路器。
Ｉ（Ｒ２）
ｔ／ｍｓ
图４ 分／合闸电流变化图
基本保护功能与开关机械特性在线监测
为了实现断路器动作的可靠性，该装置通过配电流互感
器，可实现速断过流保护、定时限保护、欠电压保护等保护
功能。控制装置通过软、硬件配合，实现三相保护电压、三
相保护电流、零序电流、电网频率等值的测量，其三相保护
电流监测原理图如图５所示。通过测量值与设定值的比较，实
隔离电压在３ ０００ Ｖ以上，线性度高，抗共模干扰能力强。
３．合／分闸控制电路
单稳态永磁机构可靠动作的关键是合／分闸驱动电路的
控制。合闸信号是由高速输出口输出的＋５ Ｖ 电压信号，它经
过驱动电路控制 ＩＧＢＴ的导通和截止，完成合闸操作。由于
合闸电流幅值达到 １００ Ａ，而电流超过１００ Ａ 的ＩＧＢＴ全为
２．驱动与控制装置的组成及原理 真空断路器永磁机构的控制与驱动装置如图１所示，该 装置包括了控制信号输入、模拟量输入、控制面板、电源转 换电路、充电控制单元、储能电容器组、智能控制单元、驱 动单元、单稳态永磁机构、运行状态指示和通信模块等几个 部分。
Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 电源 电源转 换电路
充电控 制单元
控制与驱动装置
１．电源技术 本设计中电源供电回路采用开关电源模块，８５～２６５ Ｖ Ａｃ 宽范围外接交直流电源输入，以满足不同使用场合的要求， 并通过反馈控制保持其稳定，并给后面的智能控制单元提供 ＋１２ Ｖ 和＋５ Ｖ 工作电源，同时采用了瞬态电压抑制器和压敏 电阻进行电压稳定和后级电路的保护。为了保证断路器在外 部电源发生故障时仍能可靠工作，以蓄电池为后备电源进行 合／分闸操作。
和
ＶＡ５
模拟一
次分 ／ 合闸指令；Ｃ１ 为分闸储能电容器，Ｃ２为合闸储能电容
器；Ｚ１为分闸ＩＧＢＴ，Ｚ２ 为合闸ＩＧＢＴ；Ｒ１ 为分闸限流电阻。合
闸操作过程是：等效合闸指令源ＶＡ５ 发出一个合闸脉冲，合
闸
ＶＺ２
导通，合闸电流按照
Ｃ ２
＋→
ＶＺ２
→
Ｌ １
→
Ｒ ２
→
Ｃ ２
－的回
路流通。分闸操作过程是：等效分闸指令源Ｖ４发出一个分闸
Ｒ ９
２ｋ Ω Ｃ
４ ２２０．０Ｖ
０．１μＦ
－４２．３５ｐＶ
２２０．０Ｖ
Ｒ ８
Ｕ
２
５００Ω
２２０ＶＤＣ
Ｃ ２
电气时代 ２００６ 年第 ５ 期 ｜ 53
【智能电器专辑】
装置内部设置电源监测电路，如在起动时出现欠压，则拒绝 给吸引线圈供电，克服了传统保护方式的缺陷。
４．负荷显示的功能 现行的继电器控制方式， 只有工作状态显示功能。本装 置能实时显示出轻载、满载、过载状态。整定指示功能，可 以根据显示状况准确进行电流整定。故障原因记忆并显示功 能，有音响报警和故障定位光信号指示２种故障显示方式，音 响报警可手动复归。本装置还具有故障自诊断显示功能，能 够显示出造成停机的故障原因，以便用户迅速排除故障。 ５．安全可靠性 一般的继电器控制方式，其控制按钮直接控制危险电压。
ＴＦ＝１ｕ
ＰＷ＝１００ ｍ
ＰＥＲ＝１００ ｍ
Ｕ Ｔ
１Ｒ＝＝０１
μ
Ｆ
Ｕ ２
＝２２０ Ｖ
Ｌ １
２
２２０．０Ｖ Ｒ
６
１００Ω
Ｖ４
ＩＧＢＴ －４２．３５ｐＶ －４２．３５ｐＶ
ＭＵＲ８１００
ＶＡ４ ＴＤ＝３５ ｍ ＴＦ＝１ｕ
ＰＷ＝２５ ｍ
ＰＥＲ＝１００ ｍ
Ｕ Ｔ
１Ｒ＝＝０１
μ
Ｆ
Ｕ２＝２２０ Ｖ
Ｒ ２
０Ｖ
图３ 合／分闸主回路仿真电路原理图
现保护功能。
Ｒ １３
Ｉ０＋ Ｉ０－
Ｔ１
Ｒ １２
Ｖ ＤＤ
＋
Ｃ １０
Ｒ １１
－ ＴＬＶ２２１１ ＡＩ０
ＶＳ
ＤＶ０
ＡＶ０
Ｃ ２
ＡＶ０
图５ 三相保护电流监测原理图
从电网一次设备Ｔ采样来的电流信号进入控制器后经小
电流互感器转换为几毫安的小信号，然后采用运放进行放大
和滤波之后，变换成一定幅度的交流电压信号，经Ａ／Ｄ变换
电磁兼容及控制装置可靠性设计
由于主线路上的谐波、过电压及真空开关的电磁辐射等， 在真空断路器内存在强烈的电磁污染。硬件抗干扰是应用系 统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手 来抑制干扰。其总原则是：抑制或消除干扰源，切断干扰对 系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系 统的硬件抗干扰设计具体措施有：光耦隔离、接地、屏蔽、滤 波去耦等常用方法。对于浪涌的防治，需要配合压敏电阻和 滤波电路，而对于电快速脉冲群则需要配合ＶＳ和滤波电路。 控制器的外壳不仅要屏蔽电场干扰，同时还要屏蔽磁场干扰， 故其外壳应采用具有一定厚度的导磁金属材料。
（收稿日期：２００６．０２．１５）
（上接第 ５３ 页） 合闸操作之后线圈上将出现一段时间的电压振动，所以建议 分／合闸操作间隔２０ ｍｓ。
Ｖ／Ａ １００ Ａ
５０ Ａ
后的数字量通过 ＭＳＰ４３０ 芯片来运算、处理后，发出相应的 跳合闸信号和告警信号到驱动接口电路，来实现相应的三相 电压、三相电流保护功能。图５中的ＶＳ防止小电流互感器二 次侧输出高电压，损坏其他电路。
合／分闸 储能电容
控制
ＩＧＢＴ 驱动
面板
电路
三相电流 三相电压 零序电流 控制信号
Ⅲ ＳＰ４３０ Ｆ１４９
控制芯片
运行状
态指示
永
磁
在线编
机
程接口
构
通信模块
图１ 控制与驱动装置原理图
驱动装置的工作原理：永磁操动机构驱动器对储能合／ 分闸电容器电压进行监测，若电压不足，则进行电容器充电； 若收到合／分闸命令，判断断路器的运行状态和位置都正确 时，则进行相应的合／分闸操作。在合／分闸完毕或已经超过 设定合／分闸时间时，应该立即停止合／分闸操作；在不具备 操作条件或机构故障的情况下，报警且禁止断路器动作。
Ｒ １
Ｃ
１
Ｃ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ＶＤ１
２
Ｖ ＣＣ
ＤＯ
Ｒ
ＴＬＰ５２１
３
图２ 开关量输入电平转换电路图
信号输出单元用于指示断路器的运行状态，有断路器的 合／分闸状态、断路器动作执行情况、正常合／分闸、过流分 闸、失压分闸、操作电压是否能满足合分闸的要求，开关电 源的输入电压是否正常，以及断路器操动机构故障报警信号 等。为了实时监测线路运行状态和实现故障时线路网络重构 等功能，增加了实现半双工、全双工（通过内部的跳线来选择） ＲＳ４８５通信模块。ＲＳ４８５接口用于连接变电站计算机网络，把 该装置的各种数据传送到上位机，实现远距离和当地监控、 报警等功能。
本设计基于永磁机构的工作原理和结构特点，结合 ＭＳＰ４３０ 系列 ＦＬＡＳＨ 型超低功耗 １６ 位单片机，研制了以大 容量储能电容作为操作电源的单稳态永磁机构的智能控制装 置，将保护功能和控制部分综合在一起，减少了传输接口，提 高了抗干扰能力，可以通过ＲＳ４８５口检测开关的位置，实现 速断过流速断保护、定时限保护和欠电压保护等功能。通过 应用 ＯＲＣＡＤ 进行电路仿真可看出，本设计的控制电路能够 很好满足要求，同时还可以通过ＰＣ机，对断路器的一些参数 进行重新设定和配置，包括通信的设置、输入／输出的设置等， 提高了系统运行的可靠性和安全性。EA
电压信号的采集和电流信号的采集类似，不同点在于 ＴＶ输入后经过电阻转换为小电流信号，然后再通过小电流互 感器进行隔离。
０ Ａ
－５０ Ａ
０ｓ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００
脉冲，分闸
Ｉ
Ｇ
Ｂ
ＴＺ１
导通，分闸电流按照
Ｃ１＋→
Ｒ １
→
ＶＺ１
→
Ｒ ２
→
Ｌ １
→
Ｃ１－的回路流通。
分／合闸过程电流变化如图４所示。图４中负值部分为分
闸电流，分闸过程在 ５～３０ ｍｓ，分闸电流约 １２ Ａ 左右。正
值部分为合闸电流，合闸过程在３５～８５ ｍｓ，合闸电流幅值
最大约 １ ０ ０ Ａ。从图 ４ 中可以看出，分 ／合闸都有续流现象，
电气时代 ２００６ 年第 ５ 期 ｜ 61
单线圈式永磁机构的特点是：采用永久磁铁使真空断路 器保持在合闸极限位置，使用激磁线圈将机构的铁心从分闸 位置推动到合闸位置；同时，给分闸弹簧储能。分闸时，给 线圈通以反向电流，使得铁心工作气隙处永磁材料与励磁线 圈产生的合成磁场接近于零，靠触头弹簧和分闸弹簧所储存 的能量进行分闸。本设计研制了一种单稳态永磁操动机构电 子控制装置，该装置通过配电流互感器，不仅实现了对断路 器合／分闸操作的控制与驱动，而且在实现速断过流保护等功 能的基础上，还可实现部分机械特性在线监测功能，使得断 路器操动机构的可靠性进一步得到了提高。
永磁操动机构利用储能电容器进行储能，操作电压的监 测是为了判断是否能满足合／分闸操作的要求，利用电阻对储 能电容器进行分压，控制芯片对此信号经过Ａ／Ｄ转换后做出 判断。当此电压值过高或过低时都禁止断路器动作，从而保 证了断路器在正常工作电压范围内。为了防止电磁干扰，需 用光耦进行电气隔离，本设计采用ＨＣＮＲ２００线性光耦器，其
且合闸续流更明显，实际合闸续流时间不超过５ ｍｓ。由于分／
（下转第 ６１ 页）
Ｒ ３
２ｋ Ω
２２０．０Ｖ
Ｖ５ Ｄ１Ｎ４１４８
Ｒ １
２０ Ω
２２０．０Ｖ
２２０．０Ｖ
Ｕ １
２２０ＶＤＣ Ｃ
１
μＦ
Ｃ ３
０．１μＦ
０Ｖ
Ｒ ７
５００Ω
ＶＺ２
Ｒ ５
Ｖ３
０Ｖ １００Ω
ＭＵＲ８１００ ＩＧＢＴ
０Ｖ
Ａ ＶＡ５
１
ＴＤ＝３５ ｍ
信号的输入单元用于接受断路器操作命令，各开关量的 输入电平转换电路图如图２所示。开关输入量有远控合／分闸
52 ｜ 电气时代２００６年第５期
【智能电器专辑】
命令、近控合／分闸命令、失压保护分闸信号、断路器的位置 信号和复位信号等，采用的电路是先整流、滤波，再通过光 耦隔离，输入到控制芯片中。
ＩＮＯ Ｌ １ Ｖ Ⅱ１
装在控制箱箱门的按钮一般通过花线套上软套管与内部的控 制电路连接，由于箱门的转动，时有花线的绝缘损坏而导致 箱门带电，如外接按钮需要使用控制电缆。本装置的按钮控 制电压很低，而且与市电有良好的隔离，可直接使用软线外 接控制按钮，即使出现露芯短路，也不会发生触电事故及引 发电气火灾。
６．性价比高 使用ＰＬＣ或者变频器实现对电动机的控制，成本在千元 以上，使用本装置构成的控制电路的成本仅略高于现行的继 电器逻辑控制电路。EA
ＩＧＢＴ模块，其体积较大；又因为合闸脉冲时间短，且为短时
工作制，故本设计将两个额定电流为６０ Ａ的ＩＧＢＴ并联， 驱
动电路采用了专门的ＩＧＢＴ驱动芯片。当合闸电流大于１５０ Ａ
时合闸 ＩＧＢＴ将关断，产生线圈断线告警信号。永磁机构的
合／分闸仿真电路如图３所示。
Ｌ １
和
Ｒ ２
是永磁机构线圈的等效电路；ＶＡ４
本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９控制芯片，其内部预设了ＪＴＡＧ 模块，具有在线调试功能，片内还集成 １２ 位 Ａ／Ｄ、１６位定时 器、模拟比较器、串行接口、看门狗定时器等多种功能模块。 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 存储器为 ＦＬＡＳＨ 型，具有片内的 ＢＯＯＴ ＲＯＯＭ， 可以实现程序代码的下载和上载，且具有很高的保密性，口 令字达到３２ ｂｉｔ的长度。
文／沈阳工业大学电气工程学院 徐建源 孙建军 林 莘
智
能
电
器 专
单稳态永磁操动机构的
辑
智能控制装置
真空断路器因其高可靠性、免维护和安全性等特点，多 年来在中压开关领域保持领先地位。永磁操动机构是近几年 正在发展的一种新型操动机构，它利用永久磁铁产生的磁力 将真空断路器保持在分／合闸位置，而无需任何传统机械脱 扣／锁扣装置。它机构零部件少，结构简单，使断路器动作的 可靠性大大提高。二次控制回路采用电子控制模块，动作迅 速并可以实现精确时间控制，采用开关电源输入范围宽，传 感器检测开关位置，输入输出用光耦隔离，功耗低，极大地 提高了可靠性，使永磁机构真空断路器成为真正意义的免维 护智能化断路器。
Ｉ（Ｒ２）
ｔ／ｍｓ
图４ 分／合闸电流变化图
基本保护功能与开关机械特性在线监测
为了实现断路器动作的可靠性，该装置通过配电流互感
器，可实现速断过流保护、定时限保护、欠电压保护等保护
功能。控制装置通过软、硬件配合，实现三相保护电压、三
相保护电流、零序电流、电网频率等值的测量，其三相保护
电流监测原理图如图５所示。通过测量值与设定值的比较，实
隔离电压在３ ０００ Ｖ以上，线性度高，抗共模干扰能力强。
３．合／分闸控制电路
单稳态永磁机构可靠动作的关键是合／分闸驱动电路的
控制。合闸信号是由高速输出口输出的＋５ Ｖ 电压信号，它经
过驱动电路控制 ＩＧＢＴ的导通和截止，完成合闸操作。由于
合闸电流幅值达到 １００ Ａ，而电流超过１００ Ａ 的ＩＧＢＴ全为
２．驱动与控制装置的组成及原理 真空断路器永磁机构的控制与驱动装置如图１所示，该 装置包括了控制信号输入、模拟量输入、控制面板、电源转 换电路、充电控制单元、储能电容器组、智能控制单元、驱 动单元、单稳态永磁机构、运行状态指示和通信模块等几个 部分。
Ａ Ｃ ／ Ｄ Ｃ 电源 电源转 换电路
充电控 制单元
控制与驱动装置
１．电源技术 本设计中电源供电回路采用开关电源模块，８５～２６５ Ｖ Ａｃ 宽范围外接交直流电源输入，以满足不同使用场合的要求， 并通过反馈控制保持其稳定，并给后面的智能控制单元提供 ＋１２ Ｖ 和＋５ Ｖ 工作电源，同时采用了瞬态电压抑制器和压敏 电阻进行电压稳定和后级电路的保护。为了保证断路器在外 部电源发生故障时仍能可靠工作，以蓄电池为后备电源进行 合／分闸操作。
和
ＶＡ５
模拟一
次分 ／ 合闸指令；Ｃ１ 为分闸储能电容器，Ｃ２为合闸储能电容
器；Ｚ１为分闸ＩＧＢＴ，Ｚ２ 为合闸ＩＧＢＴ；Ｒ１ 为分闸限流电阻。合
闸操作过程是：等效合闸指令源ＶＡ５ 发出一个合闸脉冲，合
闸
ＶＺ２
导通，合闸电流按照
Ｃ ２
＋→
ＶＺ２
→
Ｌ １
→
Ｒ ２
→
Ｃ ２
－的回
路流通。分闸操作过程是：等效分闸指令源Ｖ４发出一个分闸
Ｒ ９
２ｋ Ω Ｃ
４ ２２０．０Ｖ
０．１μＦ
－４２．３５ｐＶ
２２０．０Ｖ
Ｒ ８
Ｕ
２
５００Ω
２２０ＶＤＣ
Ｃ ２
电气时代 ２００６ 年第 ５ 期 ｜ 53
【智能电器专辑】
装置内部设置电源监测电路，如在起动时出现欠压，则拒绝 给吸引线圈供电，克服了传统保护方式的缺陷。
４．负荷显示的功能 现行的继电器控制方式， 只有工作状态显示功能。本装 置能实时显示出轻载、满载、过载状态。整定指示功能，可 以根据显示状况准确进行电流整定。故障原因记忆并显示功 能，有音响报警和故障定位光信号指示２种故障显示方式，音 响报警可手动复归。本装置还具有故障自诊断显示功能，能 够显示出造成停机的故障原因，以便用户迅速排除故障。 ５．安全可靠性 一般的继电器控制方式，其控制按钮直接控制危险电压。
ＴＦ＝１ｕ
ＰＷ＝１００ ｍ
ＰＥＲ＝１００ ｍ
Ｕ Ｔ
１Ｒ＝＝０１
μ
Ｆ
Ｕ ２
＝２２０ Ｖ
Ｌ １
２
２２０．０Ｖ Ｒ
６
１００Ω
Ｖ４
ＩＧＢＴ －４２．３５ｐＶ －４２．３５ｐＶ
ＭＵＲ８１００
ＶＡ４ ＴＤ＝３５ ｍ ＴＦ＝１ｕ
ＰＷ＝２５ ｍ
ＰＥＲ＝１００ ｍ
Ｕ Ｔ
１Ｒ＝＝０１
μ
Ｆ
Ｕ２＝２２０ Ｖ
Ｒ ２
０Ｖ
图３ 合／分闸主回路仿真电路原理图
现保护功能。
Ｒ １３
Ｉ０＋ Ｉ０－
Ｔ１
Ｒ １２
Ｖ ＤＤ
＋
Ｃ １０
Ｒ １１
－ ＴＬＶ２２１１ ＡＩ０
ＶＳ
ＤＶ０
ＡＶ０
Ｃ ２
ＡＶ０
图５ 三相保护电流监测原理图
从电网一次设备Ｔ采样来的电流信号进入控制器后经小
电流互感器转换为几毫安的小信号，然后采用运放进行放大
和滤波之后，变换成一定幅度的交流电压信号，经Ａ／Ｄ变换
电磁兼容及控制装置可靠性设计
由于主线路上的谐波、过电压及真空开关的电磁辐射等， 在真空断路器内存在强烈的电磁污染。硬件抗干扰是应用系 统最基本和最主要的抗干扰手段，一般从防和抗两方面入手 来抑制干扰。其总原则是：抑制或消除干扰源，切断干扰对 系统的耦合通道，降低系统对干扰信号的敏感性。对于本系 统的硬件抗干扰设计具体措施有：光耦隔离、接地、屏蔽、滤 波去耦等常用方法。对于浪涌的防治，需要配合压敏电阻和 滤波电路，而对于电快速脉冲群则需要配合ＶＳ和滤波电路。 控制器的外壳不仅要屏蔽电场干扰，同时还要屏蔽磁场干扰， 故其外壳应采用具有一定厚度的导磁金属材料。
（收稿日期：２００６．０２．１５）
（上接第 ５３ 页） 合闸操作之后线圈上将出现一段时间的电压振动，所以建议 分／合闸操作间隔２０ ｍｓ。
Ｖ／Ａ １００ Ａ
５０ Ａ
后的数字量通过 ＭＳＰ４３０ 芯片来运算、处理后，发出相应的 跳合闸信号和告警信号到驱动接口电路，来实现相应的三相 电压、三相电流保护功能。图５中的ＶＳ防止小电流互感器二 次侧输出高电压，损坏其他电路。
合／分闸 储能电容
控制
ＩＧＢＴ 驱动
面板
电路
三相电流 三相电压 零序电流 控制信号
Ⅲ ＳＰ４３０ Ｆ１４９
控制芯片
运行状
态指示
永
磁
在线编
机
程接口
构
通信模块
图１ 控制与驱动装置原理图
驱动装置的工作原理：永磁操动机构驱动器对储能合／ 分闸电容器电压进行监测，若电压不足，则进行电容器充电； 若收到合／分闸命令，判断断路器的运行状态和位置都正确 时，则进行相应的合／分闸操作。在合／分闸完毕或已经超过 设定合／分闸时间时，应该立即停止合／分闸操作；在不具备 操作条件或机构故障的情况下，报警且禁止断路器动作。
Ｒ １
Ｃ
１
Ｃ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ＶＤ１
２
Ｖ ＣＣ
ＤＯ
Ｒ
ＴＬＰ５２１
３
图２ 开关量输入电平转换电路图
信号输出单元用于指示断路器的运行状态，有断路器的 合／分闸状态、断路器动作执行情况、正常合／分闸、过流分 闸、失压分闸、操作电压是否能满足合分闸的要求，开关电 源的输入电压是否正常，以及断路器操动机构故障报警信号 等。为了实时监测线路运行状态和实现故障时线路网络重构 等功能，增加了实现半双工、全双工（通过内部的跳线来选择） ＲＳ４８５通信模块。ＲＳ４８５接口用于连接变电站计算机网络，把 该装置的各种数据传送到上位机，实现远距离和当地监控、 报警等功能。
本设计基于永磁机构的工作原理和结构特点，结合 ＭＳＰ４３０ 系列 ＦＬＡＳＨ 型超低功耗 １６ 位单片机，研制了以大 容量储能电容作为操作电源的单稳态永磁机构的智能控制装 置，将保护功能和控制部分综合在一起，减少了传输接口，提 高了抗干扰能力，可以通过ＲＳ４８５口检测开关的位置，实现 速断过流速断保护、定时限保护和欠电压保护等功能。通过 应用 ＯＲＣＡＤ 进行电路仿真可看出，本设计的控制电路能够 很好满足要求，同时还可以通过ＰＣ机，对断路器的一些参数 进行重新设定和配置，包括通信的设置、输入／输出的设置等， 提高了系统运行的可靠性和安全性。EA
电压信号的采集和电流信号的采集类似，不同点在于 ＴＶ输入后经过电阻转换为小电流信号，然后再通过小电流互 感器进行隔离。
０ Ａ
－５０ Ａ
０ｓ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００
脉冲，分闸
Ｉ
Ｇ
Ｂ
ＴＺ１
导通，分闸电流按照
Ｃ１＋→
Ｒ １
→
ＶＺ１
→
Ｒ ２
→
Ｌ １
→
Ｃ１－的回路流通。
分／合闸过程电流变化如图４所示。图４中负值部分为分
闸电流，分闸过程在 ５～３０ ｍｓ，分闸电流约 １２ Ａ 左右。正
值部分为合闸电流，合闸过程在３５～８５ ｍｓ，合闸电流幅值
最大约 １ ０ ０ Ａ。从图 ４ 中可以看出，分 ／合闸都有续流现象，
电气时代 ２００６ 年第 ５ 期 ｜ 61
单线圈式永磁机构的特点是：采用永久磁铁使真空断路 器保持在合闸极限位置，使用激磁线圈将机构的铁心从分闸 位置推动到合闸位置；同时，给分闸弹簧储能。分闸时，给 线圈通以反向电流，使得铁心工作气隙处永磁材料与励磁线 圈产生的合成磁场接近于零，靠触头弹簧和分闸弹簧所储存 的能量进行分闸。本设计研制了一种单稳态永磁操动机构电 子控制装置，该装置通过配电流互感器，不仅实现了对断路 器合／分闸操作的控制与驱动，而且在实现速断过流保护等功 能的基础上，还可实现部分机械特性在线监测功能，使得断 路器操动机构的可靠性进一步得到了提高。
永磁操动机构利用储能电容器进行储能，操作电压的监 测是为了判断是否能满足合／分闸操作的要求，利用电阻对储 能电容器进行分压，控制芯片对此信号经过Ａ／Ｄ转换后做出 判断。当此电压值过高或过低时都禁止断路器动作，从而保 证了断路器在正常工作电压范围内。为了防止电磁干扰，需 用光耦进行电气隔离，本设计采用ＨＣＮＲ２００线性光耦器，其
且合闸续流更明显，实际合闸续流时间不超过５ ｍｓ。由于分／
（下转第 ６１ 页）
Ｒ ３
２ｋ Ω
２２０．０Ｖ
Ｖ５ Ｄ１Ｎ４１４８
Ｒ １
２０ Ω
２２０．０Ｖ
２２０．０Ｖ
Ｕ １
２２０ＶＤＣ Ｃ
１
μＦ
Ｃ ３
０．１μＦ
０Ｖ
Ｒ ７
５００Ω
ＶＺ２
Ｒ ５
Ｖ３
０Ｖ １００Ω
ＭＵＲ８１００ ＩＧＢＴ
０Ｖ
Ａ ＶＡ５
１
ＴＤ＝３５ ｍ
信号的输入单元用于接受断路器操作命令，各开关量的 输入电平转换电路图如图２所示。开关输入量有远控合／分闸
52 ｜ 电气时代２００６年第５期
【智能电器专辑】
命令、近控合／分闸命令、失压保护分闸信号、断路器的位置 信号和复位信号等，采用的电路是先整流、滤波，再通过光 耦隔离，输入到控制芯片中。
ＩＮＯ Ｌ １ Ｖ Ⅱ１
装在控制箱箱门的按钮一般通过花线套上软套管与内部的控 制电路连接，由于箱门的转动，时有花线的绝缘损坏而导致 箱门带电，如外接按钮需要使用控制电缆。本装置的按钮控 制电压很低，而且与市电有良好的隔离，可直接使用软线外 接控制按钮，即使出现露芯短路，也不会发生触电事故及引 发电气火灾。
６．性价比高 使用ＰＬＣ或者变频器实现对电动机的控制，成本在千元 以上，使用本装置构成的控制电路的成本仅略高于现行的继 电器逻辑控制电路。EA
ＩＧＢＴ模块，其体积较大；又因为合闸脉冲时间短，且为短时
工作制，故本设计将两个额定电流为６０ Ａ的ＩＧＢＴ并联， 驱
动电路采用了专门的ＩＧＢＴ驱动芯片。当合闸电流大于１５０ Ａ
时合闸 ＩＧＢＴ将关断，产生线圈断线告警信号。永磁机构的
合／分闸仿真电路如图３所示。
Ｌ １
和
Ｒ ２
是永磁机构线圈的等效电路；ＶＡ４
本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９控制芯片，其内部预设了ＪＴＡＧ 模块，具有在线调试功能，片内还集成 １２ 位 Ａ／Ｄ、１６位定时 器、模拟比较器、串行接口、看门狗定时器等多种功能模块。 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 存储器为 ＦＬＡＳＨ 型，具有片内的 ＢＯＯＴ ＲＯＯＭ， 可以实现程序代码的下载和上载，且具有很高的保密性，口 令字达到３２ ｂｉｔ的长度。