煤矿真空断路器永磁机构控制器设计

【摘要】 随着煤矿开采强度和深度的不断增加，矿用设备容量不断上升，大功率组合开关、电机变频一体机等设备在煤矿井下广泛应用。本文在研究煤矿安全生产形势和永磁机构原理基础上，结合单片机PIC16F877A设计永磁机构控制器，主要包括控制器整体结构、IGBT驱动电路和分/合闸控制电路。

【关键词】 煤矿 断路器 永磁机构 控制器

目前，全国煤矿安全生产事故总量继续下降，整体形势持续稳定好转，煤矿开采环境得到明显改善，安全形势呈现总体稳定、趋向好转的发展态势，事故总量、死亡人数和百万吨死亡率都呈现逐年下降的趋势，但煤矿安全生产形势依然严峻，主要表现为重特大事故时有发生，安全生产重大隐患未能得到有效治理，一些地区煤炭企业的配电网络落后、电器设备老化严重，影响煤矿安全生产问题的根本解决。

一、永磁机构

煤矿断路器选用永磁机构取代弹簧、液压等传统操作机构，这种操作机构主要由永久磁铁、合闸线圈和分闸线圈组成，工作时永磁机构接到分/合闸指令，通过两个可产生磁场的分/合闸线圈控制动铁芯运动到相应的分/合闸极限位置，动铁芯通过传动装置带动动触头动作，进而驱动煤矿断路器完成分/合闸操作。与传统操作机构相比，永磁机构具有结构简单、稳定性好、累计运动公差小及可控性强等优点，是煤矿断路器操作机构的理想选择。

二、永磁机构控制器设计

本文设计的控制系统针对矿用永磁固封式真空断路器用单稳态永磁机构设计，因为单稳态永磁机构分闸操作时采用弹簧驱动， 所以在合闸操作时不仅要保证触头的可靠闭合，还要完成为分闸弹簧储能，这就要求永磁机构瞬间具有较大的驱动力，即线圈通过较大电流。控制系统由单片机最小系统、控制面板、电容器组、IGBT驱动电路、数据采集电路和电容电压检测电路等组成，如图1所示。控制系统工作过程为：控制器上电后首先对储能电容器进行充电操作，处理器实时采集电容器组的电压值；当电容电压满足动作要求，停止充电操作，然后处理器接收到动作指令时导通合分闸线圈，驱动永磁机构动作，最后处理器检测断路器触头行程，直到动作完成，关闭驱动信号，并等待下一次动作指令。

2.1 IGBT驱动电路

为了适应永磁机构复杂的工作环境，本文电路设计时以专用IGBT驱动芯片VLA517-01R为核心设计IGBT驱动电路，驱动电路如图2所示。VLA517-01R是日本富士公司提供的快速型IGBT驱动专用模块，整个电路延迟时间不超过1μs，最高工作频率达40～50kHz，只需外部一个 20V电源供电，内部可产生一个正驱动电压及反向截止电压，模块内部含有过流保护和故障信号输出电路。为了防止过电流造成的IGBT 损坏， 电路必须有完善的故障检测和保护环节， 及时检测出过电流故障，并迅速关断。因为IGBT 的通态饱和压降UCE与集电极电流IC呈近似线性关系， 所以IGBT 的过电流保护可以采用集电极电压的检测方法， 即通过测量UCE的大小来判断集电极电流的大小来实现。

本文选择PIC16F877A单片机的RB4端口作为分合闸控制信号输入端，控制信号输入电路如图3所示。当动作指令输入时，按钮S5闭合后，控制信号经过LC滤波电路和RC滤波电路处理处理后，驱动光耦导通，在光耦二次侧控制指令输出，分、合闸信号通过PIC16F877A的RB4端口进入单片机。在控制信号输入端设计TVS钳位电路，吸收大电流，保证后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。（图3）

三、 结论

随之煤矿智能化技术的推广，矿用电气设备的智能操作成为当今社会研究的热点。煤矿断路器的智能化水平直接决定煤矿电网的可靠性和稳定性，经过实践验证：本文设计的控制器结构合理，能够按照要求驱动煤矿断路器完成分合闸操作。

参考文献

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