12kV智能化真空開關(guān)電器可靠性分析與研究

ainet.cn 2009年07月14日

　　0 引言

　　眾所周知，開關(guān)電器的可靠性對其能否正常工作至關(guān)重要。機(jī)械壽命對于機(jī)械方面帶來的可靠性問題，廣大電器工作者及學(xué)者通過長期研究及實(shí)踐已取得了巨大成績，技術(shù)上及產(chǎn)品上有了長足進(jìn)步。隨著近年來智能化電器的廣泛應(yīng)用，對電器可靠性方面又帶來了新的問題。

　　1 、12kV真空開關(guān)電器可靠性分析

　　1.1 真空斷路器用真空滅弧室

　　我國真空滅弧室的骨干生產(chǎn)企業(yè)有較強(qiáng)的技術(shù)力量和較好的設(shè)備，有豐富的真空器件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，較嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系。其中一些企業(yè)還引進(jìn)了國外真空滅弧室制造技術(shù)，為生產(chǎn)高質(zhì)量的真空滅弧室創(chuàng)造了有利條件。

　　近年來，真空滅弧室的質(zhì)量有了很大提高[1]。得益于采用新技術(shù)、新工藝、新材料，走技術(shù)創(chuàng)新之路。主要表現(xiàn)在采用大型真空爐、用一次封排工藝、采用含碳量低的不銹鋼制造波紋管、用銅-陶瓷封接取代可伐-陶瓷封接，盡量少用或不用可伐等。

　　一次封排工藝不僅提高了滅弧室的質(zhì)量，同時(shí)大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。一次封排工藝提高了真空滅弧室的真空度，有效激活吸氣劑，更加徹底除掉零件內(nèi)部的氣體，有利于真空度的長期維持，也有利于用儲存檢漏法查出慢漏的真空滅弧室。一次封排工藝大大簡化了真空滅弧室的結(jié)構(gòu)，減少了真空密封焊縫，降低了漏氣的可能性，在很大程度上排除了人為因素的影響，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

　　技術(shù)進(jìn)步使得真空滅弧室的直徑不斷縮小，但并沒有降低開斷能力的裕度。當(dāng)前小型化真空滅弧室的開斷能力穩(wěn)定性、絕緣水平、電壽命等性能都比我國早期大直徑直空滅弧室有了顯著提高，生產(chǎn)成本則大大降低。真空滅弧室的小型化還有利于提高真空滅弧室的機(jī)械可靠性。漏氣是導(dǎo)致真空滅弧室失效的重要原因之一，在相同的工藝條件下，發(fā)生漏氣的概率與焊縫長度、玻璃-可伐(或陶瓷-可伐)封接長度成正比。隨著真空滅弧室直徑的縮小，焊縫長度和封接長度縮短，漏氣可能減少，使得真空滅弧室的可靠性提高。

　　生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展提高了真空滅弧室的開斷性能及絕緣水平，批量化生產(chǎn)及嚴(yán)格的質(zhì)量管理提高了真空滅弧室的可靠性，促進(jìn)了真空滅弧室向小型化、大容量方向發(fā)展。

　　1.2 真空斷路器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　12kV級真空斷路器已經(jīng)基本解決了開斷能力、電壽命、開斷后的絕緣水平等問題。有關(guān)研究工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高可靠性和機(jī)械壽命上來[1]。

　　以先進(jìn)技術(shù)為依托，不斷改進(jìn)和完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是提高可靠性的重要途徑。為了做到這一點(diǎn)不僅需要設(shè)計(jì)和制造部門的努力，還需要使用部門的通力合作，使用部門從我國的實(shí)際需要出發(fā)，提出先進(jìn)、合理的性能要求，設(shè)計(jì)、制造部門設(shè)法滿足這些要求，從而設(shè)計(jì)出技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理的產(chǎn)品。

　　在設(shè)計(jì)中不僅要提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，更要重視可靠性，特別是不能為了提高一些不太重要的性能指標(biāo)而犧牲可靠性。例如有的真空斷路器為了追求觸頭合閘無彈跳，在真空滅弧室的靜端設(shè)置合閘緩沖彈簧，合閘緩沖可以減小合閘彈跳是沒有問題的，但為了保證明顯的緩沖效果，動、靜觸頭接觸后，靜觸頭必須跟隨動觸頭運(yùn)動一個(gè)緩沖距離，這導(dǎo)致與靜觸頭連成一體的整個(gè)真空滅弧室絕緣外殼的合閘振動，這很容易造成真空滅弧室外殼損傷。真空滅弧室的靜端不是剛性固定的，因而真空滅弧室外殼在電動力的作用下可能作橫向擺動，這同樣容易引起外殼損傷。開斷電流越大，這種危險(xiǎn)也越大。這些作用無疑將降低真空斷路器的機(jī)械可靠性。經(jīng)驗(yàn)表明，將合閘彈跳時(shí)間控制在某一范圍(如2ms)內(nèi)，合閘彈跳是無害的。國外先進(jìn)的真空斷路器也并不是沒有觸頭合閘彈跳，例如有的公司通過提高加工精度使合閘彈跳時(shí)間控制在1ms之內(nèi)。犧牲產(chǎn)品的可靠性換取合閘無彈跳的作法是不可取的。

　　有的真空斷路器試圖用提高分閘速度來提高電壽命，從理論上說，提高分閘速度可以縮短最短燃弧時(shí)間，減小每次開斷所產(chǎn)生的電弧能量，從而提高電壽命。另一方面，提高分閘速度則會帶來一系列副作用，分閘速度提高將大大提高運(yùn)動部件和支持件的機(jī)械負(fù)荷，縮短波紋管的壽命，從而降低機(jī)械壽命和機(jī)械可靠性，提高分閘速度等效于增大燃弧期間的電弧長度，不利于提高開斷能力。在電壽命已足夠長，而機(jī)械壽命和可靠性尚需進(jìn)一步提高的條件下，靠提高分閘速度來提高電壽命是得不償失的。在機(jī)械壽命和可靠性還是真空斷路器薄弱環(huán)節(jié)的情況下，即使略微增長一點(diǎn)燃弧時(shí)間，取較低的分閘速度，以提高可靠性和機(jī)械壽命則更為合理。

　　為了提高真空斷路器的可靠性必須改善生產(chǎn)設(shè)施和提高管理水平。我國真空斷路器生產(chǎn)廠家多，部分生產(chǎn)廠的規(guī)模較小，生產(chǎn)設(shè)施落后，生產(chǎn)批量小。真空斷路器的生產(chǎn)條件、生產(chǎn)管理比較差，成為影響真空斷路器可靠性的一個(gè)重要原因。近幾年來，幾個(gè)主要真空斷路器生產(chǎn)廠的設(shè)備水平有了很大提高，他們的產(chǎn)量在總產(chǎn)量中的比重也在增大，這種發(fā)展趨勢對提高真空斷路器的可靠性是有利的。

　　中壓開關(guān)柜中，彈簧操動機(jī)構(gòu)占有主導(dǎo)地位。彈簧操動機(jī)構(gòu)采用手動或小功率交流電動機(jī)儲能，其合閘功不受電源電壓的影響，能獲得較高的合閘速度，又能實(shí)現(xiàn)快速自動重合閘操作。但彈簧操動機(jī)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)：完全依靠機(jī)械傳動，零部件數(shù)量多，傳動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，故障率較高，制造工藝要求較高。另外，彈簧操動機(jī)構(gòu)滑動摩擦面多，在長期運(yùn)行過程中，這些零部件的磨損、銹蝕、以及潤滑劑的流失、固化等都會導(dǎo)致操作失誤。

　　可靠性是考核斷路器性能的重要指標(biāo)，從國際、國內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字看，在斷路器的故障中，機(jī)械故障占絕大多數(shù)。國際大電網(wǎng)會議組織的國際調(diào)查表明，機(jī)械故障占總故障的 70%左右。根據(jù)對舊開關(guān)改造工程調(diào)研統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看[2]，斷路器操動機(jī)構(gòu)或開關(guān)柜連鎖機(jī)械發(fā)生的故障在許多事故統(tǒng)計(jì)報(bào)告中，所占比例約為60%～70%?？煽啃缘母叩秃土悴考?shù)量的多少有直接關(guān)系，減少零件的數(shù)量將明顯提高系統(tǒng)的可靠性。

　　1.3 永磁操動機(jī)構(gòu)

　　永磁操動機(jī)構(gòu)將電磁鐵與永久磁鐵有機(jī)地結(jié)合在一起，利用永久磁鐵產(chǎn)生的磁力將真空斷路器保持在分閘位置或合閘位置，而無需任何機(jī)械脫扣、鎖扣裝置。該機(jī)構(gòu)的輸出力特性可以設(shè)計(jì)得很接近真空斷路器的負(fù)載特性(圖1)，因此可以直接和真空滅弧室相連，減少中間過渡環(huán)節(jié)，使零部件數(shù)量減到最少，提高了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性，有助于減少觸頭彈跳。

　　彈簧操動機(jī)構(gòu)和永磁機(jī)構(gòu)的工作特性示意圖如1所示。

　　a、真空斷路器負(fù)載特性 b、彈簧操縱機(jī)構(gòu) c、永磁操動機(jī)構(gòu)
圖1 力 --- 行程特性

　　由可靠性原理可知，一種設(shè)備的可靠性與組成這種設(shè)備功能串聯(lián)零部件數(shù)目成正比。永磁機(jī)構(gòu)由于故障源少，電磁線圈和磁路為靜止機(jī)構(gòu)，只要設(shè)計(jì)合理，沒有外力破壞，一般它不會損壞。簡單的結(jié)構(gòu)和零部件的大幅減少使開關(guān)系統(tǒng)機(jī)械可靠性大幅提高，從而可以實(shí)現(xiàn)少維護(hù)或免維護(hù)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)表明，采用永磁操動的真空斷路器，機(jī)械壽命可以達(dá)到10萬次，實(shí)際壽命取決于真空滅弧室壽命。同時(shí)，永磁操動機(jī)構(gòu)中間轉(zhuǎn)換和連接機(jī)構(gòu)也很少，這大大減少了動作時(shí)間的分散性。因此，永磁機(jī)構(gòu)為在中壓開關(guān)領(lǐng)域提高性能、提高可靠性和降低成本等方面提供了一個(gè)很好的平臺。

　　通過控制永磁操動機(jī)構(gòu)合分閘線圈電流的通電時(shí)間，就可以控制永磁操動機(jī)構(gòu)動觸頭的運(yùn)動曲線，可以降低分閘后動觸頭和靜止部分的沖擊力，從而提高波紋管的機(jī)械壽命。

　　隨著開關(guān)的閉合，較大的合閘電流會對動觸頭產(chǎn)生一個(gè)推斥力。因此，這時(shí)應(yīng)對動觸頭施加一個(gè)更大的外力。另外，觸頭接觸后，為減少觸頭損耗(電耗)降低合閘電阻，確保開關(guān)可靠合閘，施加的外力還必須克服觸頭簧的反力。這個(gè)開關(guān)觸頭簧的反力是隨著機(jī)構(gòu)行程的結(jié)束而不斷增大的。從永磁機(jī)構(gòu)的外力特性(彈簧負(fù)載下的吸力特性)曲線可以看出(圖1)，隨著機(jī)構(gòu)合閘行程的結(jié)束，合閘間隙不斷減小，其對外提供的合閘力恰好是在不斷增大的。

　　彈操機(jī)構(gòu)外力特性剛相反，合閘開始時(shí)的力很大，后來，對外提供的力卻不斷減小，因此，為保證最終的力達(dá)到要求，它必須預(yù)先有更多的儲能?？梢?，用彈操機(jī)構(gòu)去操作真空開關(guān)，其實(shí)際效率是很低的。

　　1.4 APG固封絕緣技術(shù)

　　APG固封技術(shù)是將真空滅弧室及導(dǎo)電端子等零件用環(huán)氧樹脂通過 APG 工藝包封成極柱，然后與機(jī)構(gòu)組裝成斷路器。由于使用APG固封技術(shù)的斷路器有許多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)又日趨成熟，其應(yīng)用越來越廣泛。

　　APG固封絕緣技術(shù)特點(diǎn)：①減少了裝配高速環(huán)節(jié)，提高了機(jī)械可靠性。②消除了相間及對地絕緣易受污穢、凝露影響的缺陷。 ③防止了真空滅弧室易受外界撞擊的危險(xiǎn)。④增強(qiáng)了主回路的外爬距，提高了滅弧室耐受電壓水平。⑤滅弧室免維護(hù)，為斷路器免維護(hù)創(chuàng)造了條件。

環(huán)氧樹脂是一種絕緣性能較好的熱固性塑料，由于其分子的環(huán)氧基極性基因(-CH2—CH-)和羥基(-OH)、醚鍵(-O-)的粘接力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高，有較高的耐寒、耐熱、耐化學(xué)穩(wěn)定性，工作溫度達(dá)到120℃左右。其機(jī)械、電性能和其他樹脂相比要好，固化后的雙酚A型環(huán)氧具體性能數(shù)據(jù)如表1所示：

　　從表1數(shù)據(jù)可以看出，由于環(huán)氧樹脂一系列的優(yōu)良特性，做為斷路器主體絕緣，可以大大提高斷路器外絕緣水平，使斷路器體積大幅減小。

　　采用環(huán)氧樹脂為主絕緣，需克服工藝的收縮應(yīng)力開裂及環(huán)氧樹脂的耐候及安全性。通過局部放電試驗(yàn)，在真空澆鑄樣件工藝試驗(yàn)和電性能、機(jī)械性能考核的基礎(chǔ)上，采用了目前最新的壓鑄成型，配料真空處理，用加壓機(jī)加壓成型，使產(chǎn)品壓制、成型、固化一次完成。成品的密度高，機(jī)械強(qiáng)度高，表面質(zhì)量好，并在樹脂中加入超細(xì)硅粉以進(jìn)一步提高電性能。在工藝過程中克服了瓷瓶尺寸誤差大，機(jī)械模漏膠的難題。樹脂采用了專門研制機(jī)構(gòu)的耐寒樹脂，可以用在-40℃的寒冷地區(qū)。

　　2 、智能化發(fā)展給12kV真空開關(guān)電器帶來的可靠性問題分析

　　智能化開關(guān)電器是指開關(guān)電器具有人工智能的功能，即開關(guān)電器設(shè)備具備準(zhǔn)確地感知信息的功能，具備處理信息及分析判斷功能，還應(yīng)具備對處理結(jié)果的的實(shí)施及有效的操控功能。

　　2.1 智能化電器的關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)現(xiàn)代傳感技術(shù)

　　隨著現(xiàn)代光纖技術(shù)的發(fā)展，基于法拉第旋光效應(yīng)的光電互感器和光學(xué)傳感器(OCT)相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)投入使用的光學(xué)電流互感器由于測量范圍寬、絕緣簡單可靠、無磁飽和、無二次開路危險(xiǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、易于同微機(jī)保護(hù)接口等優(yōu)點(diǎn)已在高壓開關(guān)電器中得到了廣泛應(yīng)用。

　　數(shù)字輸出口是電子式互感器對變電站通信網(wǎng)絡(luò)的信息輸入點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)視、計(jì)量、控制和保護(hù)裝置的信息共享與系統(tǒng)集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。電子式互感器的數(shù)字輸出口負(fù)責(zé)將瞬時(shí)電流電壓數(shù)字信號以指定幀格式封裝，并傳送給變電站的二次設(shè)備。根據(jù)IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)字輸出口的設(shè)計(jì)中可采用以太網(wǎng)接入方案和點(diǎn)到點(diǎn)鏈接方案。

　　(2)微處理機(jī)技術(shù)

　　微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)智能化控制的前提。它是集成了測量、運(yùn)算、決策、控制、保護(hù)及遙控等于一起的綜合智能化體系。可以安裝在高壓開關(guān)電器內(nèi)部，直接面向一次設(shè)備，完成“四遙”功能。

　　(3) 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)

　　電器設(shè)備在線故障檢測和故障診斷技術(shù)是智能化技術(shù)發(fā)展的前提，起源于20世紀(jì)70年代，現(xiàn)在已經(jīng)日趨完善。

　　(4) 現(xiàn)場總線技術(shù)

　　現(xiàn)場總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場的結(jié)果，是一種連接現(xiàn)場自動化設(shè)備及控制系統(tǒng)的雙向物理通道及通信協(xié)議

　　2.2 12kV智能化真空開關(guān)電器可靠性方面存在問題

　　開關(guān)電器的電磁環(huán)境非常惡劣。智能電器工作在這樣的環(huán)境下，要保證準(zhǔn)確、可靠的完成測量、保護(hù)、控制和操作任務(wù)，對智能電器可靠性的要求顯得愈為重要。

　　很多因數(shù)都可能導(dǎo)致智能電器在可靠性方面出現(xiàn)問題。從大的方面講，這些故障現(xiàn)象可歸結(jié)為控制和操作回路出現(xiàn)“拒動”和“誤動”現(xiàn)象。詳細(xì)分析，引起這些故障的原因很多。例如CPU程序跑飛、保護(hù)定值的非人為因數(shù)變更、采樣值受干擾影響而超出范圍的變化、開出回路的誤動等等，這些都會引起非常嚴(yán)重的后果，甚至造成不可估量的損失。

　　出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因，可歸結(jié)為智能化電器和電子技術(shù)的抗干擾(EMC)特性。EMC要求包括兩種含義：一方面要求智能電器在使用場合工作時(shí)，不受外界電磁干擾而引起誤動作;而另一方面要求電器操作產(chǎn)生的電磁場不干擾附近的電子設(shè)備。目前國外對智能化電器和機(jī)電一體化產(chǎn)品的EMC問題非常重視，因?yàn)殡姶鸥蓴_會引起這類系統(tǒng)失靈而誤動作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能化電器和其保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強(qiáng)電流及高電壓電磁場中，使這些設(shè)備的電磁抗干擾能力在設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行中已成為不可忽視的因素，因而國外智能化電器及其系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初始階段即制定嚴(yán)格的電磁兼容控制與管理計(jì)劃。該計(jì)劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施計(jì)劃與測試方法等，并把這一計(jì)劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，EMC分析和設(shè)計(jì)是為了達(dá)到EMC技術(shù)要求的關(guān)鍵工作，包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統(tǒng)集成的電磁兼容性能;EMC設(shè)計(jì)包括電磁屏蔽、接地、導(dǎo)線間距的確定，以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等。目前隨著高頻電磁場數(shù)字分析和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)的測試方法和經(jīng)驗(yàn)分析方法，已在EMC分析中起到越來越大的作用。

　　2.3 微機(jī)保護(hù)裝置的可靠性設(shè)計(jì)

　　微機(jī)繼電保護(hù)裝置對電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行有著非常重要的意義。變電站內(nèi)的電磁環(huán)境異常惡劣復(fù)雜，存在著各種電磁騷擾源。最典型的騷擾源如：雷電、操作感性負(fù)荷或SF6 電器設(shè)備等引起的電快速瞬變脈沖群、靜電放電、高壓回路操作隔離開關(guān)及斷路器引起的電氣暫態(tài)現(xiàn)象、接地系統(tǒng)短路電流引起的電位升高、高壓裝置產(chǎn)生的工頻電場和磁場、供電線路傳來的低頻傳導(dǎo)騷擾、由于設(shè)備內(nèi)部或其他電子設(shè)備產(chǎn)生的高頻傳導(dǎo)和輻射騷擾等。

　　下面從軟件和硬件兩個(gè)方面說明可以采用的抗干擾措施。因篇幅關(guān)系，就不一一詳細(xì)說明了。

　　(1) 硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)[3][4]

　　硬件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)包括①電磁兼容性( EMC) 設(shè)計(jì); ②CPU 系統(tǒng)可靠性;③印刷電路板(PCB) 可靠性;④ 電源可靠性這幾個(gè)方面。

　　(2) 硬件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

　　硬件抗干擾是應(yīng)用系統(tǒng)最基本和最主要的抗干擾手段,一般從防和抗兩方面入手來抑制干擾。具體措施有隔離、接地、屏蔽、濾波、鑒幅、提高信噪比等常用方法。

　　(3) 軟件系統(tǒng)可靠性技術(shù)

　　因?yàn)槲C(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,難免會受到種種不可預(yù)知的干擾,因此系統(tǒng)的故障和錯(cuò)誤是客觀存在的。有些無法用硬件措施來解決的故障,只能采取軟件方法來抑制、消除其影響。提高微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性主要采取兩種方法:一是提高硬件系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)來抵御外界干擾的影響;二是提高軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)來增強(qiáng)微機(jī)系統(tǒng)的自身防御能力。軟件系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有:系統(tǒng)初始化識別的可靠性;系統(tǒng)自診斷和處理方案;系統(tǒng)界限參數(shù)的可靠性;系統(tǒng)控制狀態(tài)容錯(cuò)對策;系統(tǒng)程序失控?zé)o擾動自恢復(fù)的安全性;系統(tǒng)數(shù)據(jù)抗干擾措施等。

(4) 　軟件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

　　干擾對微機(jī)系統(tǒng)造成的后果有: ①程序運(yùn)行跑飛進(jìn)入死循環(huán); ②竄改數(shù)據(jù)信息內(nèi)容; ③前向通道數(shù)據(jù)采集誤差增大; ④后向通道控制狀態(tài)失靈。因此,在軟件編程時(shí)應(yīng)加入軟件抗干擾措施,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、攔截和糾正其造成的影響。

　　一般采用自診斷、程序容錯(cuò)、信息冗余、數(shù)字濾波等措施來消除干擾的影響。

　　實(shí)踐證明，采取上述抗干擾措施后，可使微機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)，基本能適應(yīng)一般智能化電器的要求。但CPU在工作時(shí)是逐條執(zhí)行指令的，這是它的致命缺陷。下面我們結(jié)合永磁機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)說明如何從設(shè)計(jì)上克服CPU這個(gè)缺陷的。

　　2.4 永磁機(jī)構(gòu)控制器的可靠性設(shè)計(jì)

圖2 永磁機(jī)構(gòu)控制器原理框圖

　　智能控制器主要由五大部分組成：電源模塊、信號輸入模塊、信

　　號輸出模塊、專用控制芯片以及電力電子驅(qū)動模塊，原理框圖如圖2所示。

　　從以下幾方面著手解決永磁機(jī)構(gòu)控制器的可靠性設(shè)計(jì)問題：

　　(1) 控制器件的選擇：

　　控制器的工作環(huán)境有各種很強(qiáng)的電磁干擾，對控制器件的要求很高。研制中使用現(xiàn)代先進(jìn)的電子自動化設(shè)計(jì)技術(shù)(EDA)，采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)作為智能控制部件(以下簡稱專用控制芯片)，以純硬件的方式實(shí)現(xiàn)全部的電子控制功能。該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是以純硬件的方式實(shí)現(xiàn)全部數(shù)字邏輯功能，依靠功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，在EDA工具軟件平臺上，采用硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述手段，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合、以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實(shí)現(xiàn)規(guī)定的電子線路系統(tǒng)功能。這種純硬件的實(shí)現(xiàn)方式在工作可靠性方面有很大的優(yōu)勢，這是因?yàn)椴捎肊DA技術(shù)的全硬件實(shí)現(xiàn)方式由于非法狀態(tài)的可預(yù)測性以及進(jìn)入非法狀態(tài)的可判斷性，從而確保了恢復(fù)正常狀態(tài)的各種措施的可行性。

　　控制器采用全硬件狀態(tài)機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的工作調(diào)度，這就使其可以充分發(fā)揮全硬件電路容錯(cuò)技術(shù)的優(yōu)勢，在運(yùn)行中可以對各種狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，可以監(jiān)視各種非法狀態(tài)，由非法狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)只需要幾個(gè)微秒，因而不會因進(jìn)入非法狀態(tài)而對系統(tǒng)造成影響。

　　(2) 電力電子電路的可靠性設(shè)計(jì)

　　電力電子電路是控制器的另一個(gè)關(guān)鍵部件，它的負(fù)載是一個(gè)大的電感，在開通和斷開過程中會產(chǎn)生很大的動態(tài)dv/dt，加之工作電流較大，使器件有可能同時(shí)受到大電流、高電壓和寄生電容中的位移電流的作用，易導(dǎo)致器件損壞，所以在設(shè)計(jì)中通過精心挑選管子、精心設(shè)計(jì)吸收電路和驅(qū)動電路等，確保了電力電子電路工作的可靠性。

　　(3) 電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)

　　控制器在電磁兼容性方面除了外部環(huán)境產(chǎn)生的各種干擾以外，還需要注意的是其內(nèi)部自身產(chǎn)生的干擾，主要是開通和關(guān)斷過程中有幅值很大的脈沖電壓和脈沖電流，會通過電源通道耦合到自身，所以應(yīng)通過硬件和軟件設(shè)計(jì)加強(qiáng)對其濾波處理。

　　采用高性能的濾波器設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)就能保證控制器在惡劣的電磁干擾下仍能正確可靠地運(yùn)行，電磁兼容性符合IEC61000-4-x標(biāo)準(zhǔn)要求。某型智能控制器主要指標(biāo)如表2：