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。
电力电子 驱动模块
CPLD 智 能 控 制 模 块
分闸输出
遥控合分闸命令
电源电压监视
光 电 隔 离 运行状态 显示
在线编程接 口

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。
控制器硬件结构图1
ZPJ
控制器硬件结构图2
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。
电源模块
+5V-5V,+15V
Байду номын сангаас+110v
电容器
合闸输出 合分闸命令 合分闸状态信号 调 理 电 路 光 电 隔 离
电力电子控 制电路
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；
(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。

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。