一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法，當(dāng)分閘線圈或合閘線圈兩側(cè)的開關(guān)管均關(guān)斷時(shí)，利用續(xù)流二極管使其線圈續(xù)流對(duì)相應(yīng)放電電容放電，同時(shí)非放電電容電壓作為反壓，抵消由于互感所形成的感應(yīng)電壓。解決現(xiàn)有雙穩(wěn)態(tài)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)電容壓降過大，感應(yīng)電流影響動(dòng)作的問題，降低操作電壓，減小放電峰值電流，其PWM驅(qū)動(dòng)控制模塊可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度，減小觸頭彈跳，使動(dòng)作特性更符合斷路器滅弧特性。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法，屬于領(lǐng) 域。 一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法

【背景技術(shù)】
[0002] 永磁真空斷路器以其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、適用于頻繁操作等優(yōu)點(diǎn)，迅速 占領(lǐng)了中壓斷路器市場，在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。永磁真空斷路器分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn) 態(tài)兩種，其中雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)包含合閘線圈和分閘線圈兩個(gè)線圈，由于 線圈互感作用，動(dòng)作時(shí)的感應(yīng)電流影響較大。傳統(tǒng)控制器采用加大電容容量或增大放電電 壓來克服感應(yīng)電流的影響，這樣的缺點(diǎn)是增大了器件上的電壓和通過的電流，降低了控制 器壽命，提高了成本。同時(shí)，由于斷路器在自動(dòng)重合閘方面有固定要求，電容壓降太大對(duì)電 容充電電路具有較高要求。現(xiàn)有的控制器采用繼電器來控制感應(yīng)電流，其缺點(diǎn)是由于放電 電流較大，繼電器的使用大大降低了整個(gè)裝置的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方 法，解決現(xiàn)有雙穩(wěn)態(tài)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)電容壓降過大，感應(yīng)電流影響動(dòng)作的問題。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明米用的技術(shù)方案為一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控 制裝置，包括微處理器模塊、電源模塊、信號(hào)采集和處理模塊、人機(jī)交互模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、PWM 控制模塊、遠(yuǎn)程分合閘控制模塊、通信模塊、外部存儲(chǔ)模塊，所述人機(jī)交互模塊通過通信模 塊與微處理器模塊連接，所述驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM控制模塊與微處理器模塊連接，所述遠(yuǎn)程 分合閘控制模塊直接與微處理器模塊連接，電源模塊為各個(gè)模塊供電，所述驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)有 兩個(gè)與分閘線圈串聯(lián)的開關(guān)管，還設(shè)有兩個(gè)與合閘線圈串聯(lián)的開關(guān)管，同時(shí)分閘線圈和合 閘線圈還分別與兩個(gè)二極管組成泄放回路。
[0005] 優(yōu)選地，所述開關(guān)管為IGBT管。
[0006] 優(yōu)選地，所述通信模塊包括：485通信模塊、232通信模塊。
[0007] 優(yōu)選地，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩(wěn)壓 管，再經(jīng)過光耦將信號(hào)接到微處理器。
[0008] 優(yōu)選地，所述信號(hào)采集模塊包括：電容電壓傳感器、線圈放電電流傳感器、斷路器 分合閘狀態(tài)傳感器、母線三相電壓電流傳感器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心位移傳感器。
[0009] 優(yōu)選地，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩(wěn)壓 管，再經(jīng)過光耦將信號(hào)接到微處理器。
[0010] 一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，當(dāng)分閘線圈或合閘線圈兩側(cè) 的開關(guān)管均關(guān)斷時(shí)，利用續(xù)流二極管使動(dòng)作線圈放電續(xù)流對(duì)相應(yīng)放電電容充電，同時(shí)非放 電電容電壓作為反壓抵消互感所形成的感應(yīng)電壓。
[0011] 優(yōu)選地，所述PWM控制模塊在線圈放電過程中，通過控制不同時(shí)間PWM斬波占空 t匕，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電流及感應(yīng)電流大小的實(shí)時(shí)控制來調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心速度。
[0012] 優(yōu)選地，合閘時(shí)，改變開關(guān)管B導(dǎo)通占空比控制放電電流，改變開關(guān)管C導(dǎo)通占空 比控制感應(yīng)電流大小，分閘時(shí)，改變開關(guān)管D導(dǎo)通占空比控制放電電流，改變開關(guān)管A導(dǎo)通 占空比控制感應(yīng)電流大小。
[0013] 有益效果：1、本發(fā)明專利針對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)完成一次動(dòng)作后， 電容壓降過大影響重合閘的情況，通過改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，增加反向續(xù)流回路，使放電續(xù)流為放 電電容充電，減小電容壓降。
[0014] 2、本發(fā)明專利針對(duì)雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，線圈感應(yīng)電流阻礙動(dòng) 作的特點(diǎn)，通過改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，利用電容本身的電壓作為加在線圈兩端的反壓，阻止了感應(yīng) 電流的產(chǎn)生，去除感應(yīng)電流影響，降低操作電壓，減小放電電流峰值，提高動(dòng)作速度。
[0015] 3、本發(fā)明專利采用PWM驅(qū)動(dòng)控制電路，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)放電電流斬波占空比，
[0016] 使動(dòng)鐵心動(dòng)作特性更符合斷路器滅弧特性。在動(dòng)作過半之后適當(dāng)導(dǎo)通感應(yīng)電流， 對(duì)動(dòng)鐵心起到緩沖作用，減輕彈跳。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明專利控制器原理框圖；
[0018] 圖2為驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明中磁場示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各 種等同形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明裝置包括微處理器模塊、電源模塊、信號(hào)采集和處理模塊、人 機(jī)交互模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、PWM控制模塊、遠(yuǎn)程分合閘控制模塊、通信模塊、外部存儲(chǔ)模塊，所述 人機(jī)交互模塊通過通信模塊與微處理器模塊連接，所述驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM控制模塊與微處 理器模塊連接，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊直接與微處理器模塊連接，電源模塊為各個(gè)模塊 供電。
[0022] 在驅(qū)動(dòng)合閘IGBT開關(guān)B和分閘IGBT開關(guān)D兩個(gè)開關(guān)管時(shí)，可以直接提供導(dǎo)通或 關(guān)閉信號(hào)，也可以采用PWM控制模塊驅(qū)動(dòng)。本實(shí)施例采用PWM控制模塊，則在合閘線圈L1 和分閘線圈L2放電過程中，通過控制PWM斬波占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電流大小的實(shí)時(shí)控制來 調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心速度，使動(dòng)鐵心動(dòng)態(tài)特性更接近于斷路器滅弧特性。如在機(jī)構(gòu)分閘時(shí)， 希望動(dòng)鐵心初始速度快，合閘時(shí)希望動(dòng)作完成時(shí)有一定緩沖，減小觸頭彈跳，則在PWM控制 器中設(shè)計(jì)放電電流斬波占空比由大到小。在驅(qū)動(dòng)合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和分閘感應(yīng)電 流IGBT開關(guān)C兩個(gè)續(xù)流回路開關(guān)管時(shí)，也可以采用PWM控制模塊驅(qū)動(dòng)。在合閘動(dòng)作開始一 段時(shí)間后，通過控制分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM斬波占空比，調(diào)節(jié)感應(yīng)電流大 小，對(duì)動(dòng)鐵心起緩沖作用，避免過大彈跳。分閘過程類似。
[0023] 上述信號(hào)采集模塊包括：電容電壓、線圈放電電流、分合閘狀態(tài)、母線三相電壓電 流、操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心位移，這些信號(hào)經(jīng)過處理通過通信模塊發(fā)送到上位機(jī)用于故障診斷。電 容電壓采用霍爾電壓傳感器、線圈放電電流采用霍爾電流傳感器；斷路器分合閘狀態(tài)監(jiān)測 使用接近開關(guān)，所述母線三相電壓電流采用三相電采集芯片ATT7022B，所述操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)觸 頭位移采用電位器式位移傳感器。
[0024] 所述通信模塊包括：485通信模塊、232通信模塊。485通信模塊通過微處理器的 SCI接口經(jīng)485通信芯片轉(zhuǎn)換得到，232通信模塊通過微處理器的SCI接口經(jīng)232通信芯片 轉(zhuǎn)換得到。
[0025] 所述的人機(jī)交互模塊為觸摸屏模塊，通過232通信模塊與微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交 互，不需要額外接線電路。觸摸屏使用廠家提供的開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。本實(shí)驗(yàn)實(shí)例采用北 京迪文的串口指令屏以及廠家提供的HMI串口觸控界面軟件。
[0026] 所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流器及穩(wěn)壓管，再經(jīng)過 光耦將信號(hào)接到微處理器。
[0027] 如圖2所示，其中的驅(qū)動(dòng)模塊包括用于儲(chǔ)能的合閘電容C1和分閘電容C2。其中 合閘電容 C1與合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A、合閘線圈L1以及合閘IGBT開關(guān)B構(gòu)成一個(gè)驅(qū) 動(dòng)合閘線圈L1的回路。合閘電容C1通過導(dǎo)通的合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和合閘IGBT開 關(guān)B,向合閘線圈L1釋放能量,使得合閘線圈L1內(nèi)有電流流過。除此之外，在合閘感應(yīng)電流 IGBT開關(guān)A的發(fā)射極和合閘IGBT開關(guān)B的發(fā)射極之間反接第二二極管D2,在合閘感應(yīng)電 流IGBT開關(guān)A的集電極和合閘IGBT開關(guān)B的集電極之間反接第一二極管D1。第一二極管 D1和第二二極管D2用于合閘線圈L1于電容C1斷開后后泄放其自身的電流續(xù)流。
[0028] 分閘電容C2與分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C、分閘線圈L2以及分閘IGBT開關(guān)D構(gòu)成 一個(gè)驅(qū)動(dòng)分閘線圈L2的回路。分閘電容C2通過導(dǎo)通的分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C和分閘 IGBT開關(guān)D，向分閘線圈L2釋放能量，使得分閘線圈L2內(nèi)有電流流過。除此之外，在分閘 感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C的發(fā)射極和分閘IGBT開關(guān)D的發(fā)射極之間反接第四二極管D4,在分 閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C的集電極和分閘IGBT開關(guān)D的集電極之間反接第三二極管D3。第 三二極管D3和第四二極管D4用于分閘線圈L2于電容C2斷開后泄放其自身的電流續(xù)流。
[0029] 初始狀態(tài)下，合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A、合閘IGBT開關(guān)B、分閘感應(yīng)電流IGBT開 關(guān)C和分閘IGBT開關(guān)D都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)合閘線圈L1和分閘線圈L2內(nèi)都沒有電流。
[0030] 合閘時(shí)，PWM控制模塊發(fā)出合閘指令，合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和合閘IGBT開關(guān) B導(dǎo)通，而分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C和分閘IGBT開關(guān)D保持關(guān)斷，此時(shí)合閘電容C1通過合 閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和合閘IGBT開關(guān)B，向合閘線圈L1放電。當(dāng)PWM控制模塊檢測到 合閘動(dòng)作完成后，其發(fā)出信號(hào)讓合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和合閘IGBT開關(guān)B關(guān)斷，此時(shí)合 閘線圈L1自身的續(xù)流電流則通過第一二極管D1和第二二極管D2續(xù)流，給合閘電容C1充 電直至電流為零。
[0031] 合閘動(dòng)作完成后，實(shí)際上各個(gè)IGBT開關(guān)又重新回到初始的關(guān)斷狀態(tài)。
[0032] 如圖3所示，靜鐵心1為機(jī)構(gòu)提供磁路通道。動(dòng)鐵心2是整個(gè)機(jī)構(gòu)中最主要的運(yùn) 動(dòng)部件。第一永久磁體3和第二永久磁體4為機(jī)構(gòu)提供保持時(shí)所需要的磁吸力。合閘線圈 L1和分閘線圈L2在外加電流后改變機(jī)構(gòu)內(nèi)磁通的分布，使得驅(qū)動(dòng)桿7發(fā)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合閘 和分閘。虛線箭頭所示為分閘線圈L2放電時(shí)所產(chǎn)生的分閘磁場方向，實(shí)線箭頭所示為合閘 線圈L1放電時(shí)所產(chǎn)生的合閘磁場方向。例如在合閘時(shí)，合閘線圈L1通電，產(chǎn)生了如實(shí)線箭 頭所示的合閘磁場方向，根據(jù)楞次定律，此時(shí)分閘線圈L2由于互感作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁 場以阻礙磁力線的增加。分閘線圈L2的感應(yīng)磁場方向恰好與分閘磁場方向相同。
[0033] 在上述合閘過程中，分閘感應(yīng)電流開關(guān)C 一直關(guān)斷，則分閘電容C2的電壓就作為 反壓加在分閘線圈兩端，所以盡管有感應(yīng)電壓，但是小于C2的電壓，則感應(yīng)電流無法導(dǎo)通。 合閘時(shí)分閘感應(yīng)電流開關(guān)A-直關(guān)斷起到同樣的效果。通過控制各個(gè)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí) 現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成續(xù)流反向充電，去除感應(yīng)電流影響。
[0034] 分閘時(shí)，PWM控制模塊發(fā)出分閘信號(hào)，讓分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C和分閘IGBT開 關(guān)D導(dǎo)通，而合閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)A和合閘IGBT開關(guān)B保持關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)分閘電容C2 開始通過分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C和分閘IGBT開關(guān)D導(dǎo)通向分閘線圈L2放電。當(dāng)PWM 控制模塊檢測到分閘動(dòng)作完成后，其發(fā)出信號(hào)讓分閘感應(yīng)電流IGBT開關(guān)C和分閘IGBT開 關(guān)D關(guān)斷，此時(shí)分閘線圈L2自身的續(xù)流則通過第三二極管D3和第四二極管D4續(xù)流，給分 閘電容C2充電直至電流為零。分閘動(dòng)作完成后，實(shí)際上各個(gè)IGBT開關(guān)又重新回到初始的 關(guān)斷狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1. 一種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在于，包括微處理器模 塊、電源模塊、信號(hào)米集和處理模塊、人機(jī)交互模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、PWM控制模塊、遠(yuǎn)程分合閘控 制模塊、通信模塊、外部存儲(chǔ)模塊，所述人機(jī)交互模塊通過通信模塊與微處理器模塊連接， 所述驅(qū)動(dòng)模塊通過PWM控制模塊與微處理器模塊連接，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊直接與微 處理器模塊連接，電源模塊為各個(gè)模塊供電，所述驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)有兩個(gè)與分閘線圈串聯(lián)的開 關(guān)管，還設(shè)有兩個(gè)與合閘線圈串聯(lián)的開關(guān)管，同時(shí)分閘線圈和合閘線圈還分別與兩個(gè)二極 管組成泄放回路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述開關(guān)管為IGBT管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述通信模塊包括：485通信模塊、232通信模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩(wěn)壓管，再經(jīng)過光耦 將信號(hào)接到微處理器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述信號(hào)采集模塊包括：電容電壓傳感器、線圈放電電流傳感器、斷路器分合閘狀態(tài)傳 感器、母線三相電壓電流傳感器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心位移傳感器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述遠(yuǎn)程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩(wěn)壓管，再經(jīng)過光耦 將信號(hào)接到微處理器。
7. -種雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，其特征在于，當(dāng)分閘線圈或合 閘線圈兩側(cè)的開關(guān)管被PWM控制模塊關(guān)斷時(shí)，利用續(xù)流二極管使動(dòng)作線圈放電續(xù)流對(duì)相應(yīng) 放電電容充電，同時(shí)非放電電容電壓作為反壓抵消互感所形成的感應(yīng)電壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，其特征在 于，所述PWM控制模塊在線圈放電過程中，通過控制不同時(shí)間PWM斬波占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)放電 電流及感應(yīng)電流大小的實(shí)時(shí)控制來調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心速度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，其特征在 于，合閘時(shí)，改變開關(guān)管B導(dǎo)通占空比控制放電電流，改變開關(guān)管C導(dǎo)通占空比控制感應(yīng)電 流大小，分閘時(shí)，改變開關(guān)管D導(dǎo)通占空比控制放電電流，改變開關(guān)管A導(dǎo)通占空比控制感 應(yīng)電流大小。
【文檔編號(hào)】H01H33/666GK104157509SQ201410366377
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】房淑華, 柳慶東, 黃允凱, 陳亞彬, 徐喆明, 林鶴云 申請(qǐng)人:東南大學(xué)