电力机车电磁真空断路器控制系统开发

摘要

我国的电气化铁路正蓬勃发展，电力机车有着高效、便捷、快速等特点，越来越受到人们的广泛关注。围绕着电力机车的各类电气设备需求也随之大增，电力机车主断路器承担着27.5kV的主电源的开通和关断，同时当机车内部有过流或短路故障出现时，主断路器可以快速分断主电路，保证列车运行的安全。机车在过电分相期间，主断器要先分闸再合闸。因此，列车运行过程中，主断路器的分合闸操作会十分频繁，它的可靠性直接影响到列车的安全与稳定。本文结合企业的委托项目，开发用于电力机车电磁真空断路器的控制器，在实现电力机车主断路器分闸、合闸的基本控制功能外，还考虑系统的可靠性和实时数据的存贮。为此，本文进行了如下工作： 1)控制器功率电路设计。在分析机车主断路器操动机构合闸工作原理的基础之上，根据合闸线圈合闸所需的能量，设计了基于双管Buck-Boost变换器的储能电容充电电路，分别利用滞环电流控制和电流环PI调节两种不同方式，实现储能电容初充和升压两恒流充电。 2) 控制系统硬件设计。控制系统以 FPGA+ARM 为核心控制单元，集成了 ADC转换、通讯、数据存贮等接口，外部电路有控制电源、合闸线圈控制电路、保持和消磁线圈控制及其它数字和模拟电路。为保证控制系统的可靠，控制器控制电源、储能电容充电电路、以太网采用了双路冗余设计。 3) 控制系统软件设计。利用Quartus II为开发平台，使用Verilog硬件语言进行了模块化的程序设计，主要包括电容充电程序模块、分合闸控制程序模块等，可完成主断路器的分闸、合闸、保持、消磁的控制，同时软件具有对系统的实施监控、故障检测和通讯等功能。 4) 实验测试和联合调试。在实验室，对储能电容充电电路的输出电压、电感电流、充电时间、温度等进行了样机实验测试，测试结果表明所设计的控制系统能够对储能电容实现恒流充电时间满足要求；在项目实验平台上，采用电磁断路器样机进行联合测试，测试结果表明分闸和合闸时间分别为30ms和100ms，储能电容充电时间为1.6s，达到设计要求。通过三周的运行测试，控制系统工作稳定。

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