一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法，當分閘線圈或合閘線圈兩側的開關管均關斷時，利用續流二極管使其線圈續流對相應放電電容放電，同時非放電電容電壓作為反壓，抵消由于互感所形成的感應電壓。解決現有雙穩態操動機構動作時電容壓降過大，感應電流影響動作的問題，降低操作電壓，減小放電峰值電流，其PWM驅動控制模塊可以根據需要調節機構動作速度，減小觸頭彈跳，使動作特性更符合斷路器滅弧特性。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法，屬于領 域。 一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方法

【背景技術】
[0002] 永磁真空斷路器以其體積小、結構簡單、故障率低、適用于頻繁操作等優點，迅速 占領了中壓斷路器市場，在電力系統中獲得廣泛應用。永磁真空斷路器分為單穩態和雙穩 態兩種，其中雙穩態永磁真空斷路器的操動機構包含合閘線圈和分閘線圈兩個線圈，由于 線圈互感作用，動作時的感應電流影響較大。傳統控制器采用加大電容容量或增大放電電 壓來克服感應電流的影響，這樣的缺點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，由于斷路器在自動重合閘方面有固定要求，電容壓降太大對電 容充電電路具有較高要求。現有的控制器采用繼電器來控制感應電流，其缺點是由于放電 電流較大，繼電器的使用大大降低了整個裝置的可靠性。


【發明內容】

[0003] 發明目的：本發明提出一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置及方 法，解決現有雙穩態操動機構動作時電容壓降過大，感應電流影響動作的問題。
[0004] 技術方案：本發明米用的技術方案為一種雙穩態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、信號采集和處理模塊、人機交互模塊、驅動模塊、PWM 控制模塊、遠程分合閘控制模塊、通信模塊、外部存儲模塊，所述人機交互模塊通過通信模 塊與微處理器模塊連接，所述驅動模塊通過PWM控制模塊與微處理器模塊連接，所述遠程 分合閘控制模塊直接與微處理器模塊連接，電源模塊為各個模塊供電，所述驅動模塊設有 兩個與分閘線圈串聯的開關管，還設有兩個與合閘線圈串聯的開關管，同時分閘線圈和合 閘線圈還分別與兩個二極管組成泄放回路。
[0005] 優選地，所述開關管為IGBT管。
[0006] 優選地，所述通信模塊包括：485通信模塊、232通信模塊。
[0007] 優選地，所述遠程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩壓 管，再經過光耦將信號接到微處理器。
[0008] 優選地，所述信號采集模塊包括：電容電壓傳感器、線圈放電電流傳感器、斷路器 分合閘狀態傳感器、母線三相電壓電流傳感器、操動機構動鐵心位移傳感器。
[0009] 優選地，所述遠程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩壓 管，再經過光耦將信號接到微處理器。
[0010] 一種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，當分閘線圈或合閘線圈兩側 的開關管均關斷時，利用續流二極管使動作線圈放電續流對相應放電電容充電，同時非放 電電容電壓作為反壓抵消互感所形成的感應電壓。
[0011] 優選地，所述PWM控制模塊在線圈放電過程中，通過控制不同時間PWM斬波占空 t匕，實現對放電電流及感應電流大小的實時控制來調節操動機構動鐵心速度。
[0012] 優選地，合閘時，改變開關管B導通占空比控制放電電流，改變開關管C導通占空 比控制感應電流大小，分閘時，改變開關管D導通占空比控制放電電流，改變開關管A導通 占空比控制感應電流大小。
[0013] 有益效果：1、本發明專利針對雙穩態永磁真空斷路器操動機構完成一次動作后， 電容壓降過大影響重合閘的情況，通過改進驅動電路，增加反向續流回路，使放電續流為放 電電容充電，減小電容壓降。
[0014] 2、本發明專利針對雙穩態永磁真空斷路器操動機構動作時，線圈感應電流阻礙動 作的特點，通過改進驅動電路，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 電流的產生，去除感應電流影響，降低操作電壓，減小放電電流峰值，提高動作速度。
[0015] 3、本發明專利采用PWM驅動控制電路，實時調節放電電流斬波占空比，
[0016] 使動鐵心動作特性更符合斷路器滅弧特性。在動作過半之后適當導通感應電流， 對動鐵心起到緩沖作用，減輕彈跳。

【專利附圖】

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

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明 本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各 種等同形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0021] 如圖1所示，本發明裝置包括微處理器模塊、電源模塊、信號采集和處理模塊、人 機交互模塊、驅動模塊、PWM控制模塊、遠程分合閘控制模塊、通信模塊、外部存儲模塊，所述 人機交互模塊通過通信模塊與微處理器模塊連接，所述驅動模塊通過PWM控制模塊與微處 理器模塊連接，所述遠程分合閘控制模塊直接與微處理器模塊連接，電源模塊為各個模塊 供電。
[0022] 在驅動合閘IGBT開關B和分閘IGBT開關D兩個開關管時，可以直接提供導通或 關閉信號，也可以采用PWM控制模塊驅動。本實施例采用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，實現對放電電流大小的實時控制來 調節操動機構動鐵心速度，使動鐵心動態特性更接近于斷路器滅弧特性。如在機構分閘時， 希望動鐵心初始速度快，合閘時希望動作完成時有一定緩沖，減小觸頭彈跳，則在PWM控制 器中設計放電電流斬波占空比由大到小。在驅動合閘感應電流IGBT開關A和分閘感應電 流IGBT開關C兩個續流回路開關管時，也可以采用PWM控制模塊驅動。在合閘動作開始一 段時間后，通過控制分閘感應電流IGBT開關C驅動信號PWM斬波占空比，調節感應電流大 小，對動鐵心起緩沖作用，避免過大彈跳。分閘過程類似。
[0023] 上述信號采集模塊包括：電容電壓、線圈放電電流、分合閘狀態、母線三相電壓電 流、操動機構動鐵心位移，這些信號經過處理通過通信模塊發送到上位機用于故障診斷。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；斷路器分合閘狀態監測 使用接近開關，所述母線三相電壓電流采用三相電采集芯片ATT7022B，所述操動機構動觸 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485通信芯片轉換得到，232通信模塊通過微處理器的SCI接口經232通信芯片 轉換得到。
[0025] 所述的人機交互模塊為觸摸屏模塊，通過232通信模塊與微處理機進行數據交 互，不需要額外接線電路。觸摸屏使用廠家提供的開發工具進行開發。本實驗實例采用北 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] 所述遠程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流器及穩壓管，再經過 光耦將信號接到微處理器。
[0027] 如圖2所示，其中的驅動模塊包括用于儲能的合閘電容C1和分閘電容C2。其中 合閘電容 C1與合閘感應電流IGBT開關A、合閘線圈L1以及合閘IGBT開關B構成一個驅 動合閘線圈L1的回路。合閘電容C1通過導通的合閘感應電流IGBT開關A和合閘IGBT開 關B,向合閘線圈L1釋放能量,使得合閘線圈L1內有電流流過。除此之外，在合閘感應電流 IGBT開關A的發射極和合閘IGBT開關B的發射極之間反接第二二極管D2,在合閘感應電 流IGBT開關A的集電極和合閘IGBT開關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流。
[0028] 分閘電容C2與分閘感應電流IGBT開關C、分閘線圈L2以及分閘IGBT開關D構成 一個驅動分閘線圈L2的回路。分閘電容C2通過導通的分閘感應電流IGBT開關C和分閘 IGBT開關D，向分閘線圈L2釋放能量，使得分閘線圈L2內有電流流過。除此之外，在分閘 感應電流IGBT開關C的發射極和分閘IGBT開關D的發射極之間反接第四二極管D4,在分 閘感應電流IGBT開關C的集電極和分閘IGBT開關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流。
[0029] 初始狀態下，合閘感應電流IGBT開關A、合閘IGBT開關B、分閘感應電流IGBT開 關C和分閘IGBT開關D都處于關斷狀態，此時合閘線圈L1和分閘線圈L2內都沒有電流。
[0030] 合閘時，PWM控制模塊發出合閘指令，合閘感應電流IGBT開關A和合閘IGBT開關 B導通，而分閘感應電流IGBT開關C和分閘IGBT開關D保持關斷，此時合閘電容C1通過合 閘感應電流IGBT開關A和合閘IGBT開關B，向合閘線圈L1放電。當PWM控制模塊檢測到 合閘動作完成后，其發出信號讓合閘感應電流IGBT開關A和合閘IGBT開關B關斷，此時合 閘線圈L1自身的續流電流則通過第一二極管D1和第二二極管D2續流，給合閘電容C1充 電直至電流為零。
[0031] 合閘動作完成后，實際上各個IGBT開關又重新回到初始的關斷狀態。
[0032] 如圖3所示，靜鐵心1為機構提供磁路通道。動鐵心2是整個機構中最主要的運 動部件。第一永久磁體3和第二永久磁體4為機構提供保持時所需要的磁吸力。合閘線圈 L1和分閘線圈L2在外加電流后改變機構內磁通的分布，使得驅動桿7發生移動，實現合閘 和分閘。虛線箭頭所示為分閘線圈L2放電時所產生的分閘磁場方向，實線箭頭所示為合閘 線圈L1放電時所產生的合閘磁場方向。例如在合閘時，合閘線圈L1通電，產生了如實線箭 頭所示的合閘磁場方向，根據楞次定律，此時分閘線圈L2由于互感作用會產生一個感應磁 場以阻礙磁力線的增加。分閘線圈L2的感應磁場方向恰好與分閘磁場方向相同。
[0033] 在上述合閘過程中，分閘感應電流開關C 一直關斷，則分閘電容C2的電壓就作為 反壓加在分閘線圈兩端，所以盡管有感應電壓，但是小于C2的電壓，則感應電流無法導通。 合閘時分閘感應電流開關A-直關斷起到同樣的效果。通過控制各個IGBT導通與關斷，實 現操動機構動作，完成續流反向充電，去除感應電流影響。
[0034] 分閘時，PWM控制模塊發出分閘信號，讓分閘感應電流IGBT開關C和分閘IGBT開 關D導通，而合閘感應電流IGBT開關A和合閘IGBT開關B保持關斷狀態，此時分閘電容C2 開始通過分閘感應電流IGBT開關C和分閘IGBT開關D導通向分閘線圈L2放電。當PWM 控制模塊檢測到分閘動作完成后，其發出信號讓分閘感應電流IGBT開關C和分閘IGBT開 關D關斷，此時分閘線圈L2自身的續流則通過第三二極管D3和第四二極管D4續流，給分 閘電容C2充電直至電流為零。分閘動作完成后，實際上各個IGBT開關又重新回到初始的 關斷狀態。
【權利要求】
1. 一種雙穩態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、信號米集和處理模塊、人機交互模塊、驅動模塊、PWM控制模塊、遠程分合閘控 制模塊、通信模塊、外部存儲模塊，所述人機交互模塊通過通信模塊與微處理器模塊連接， 所述驅動模塊通過PWM控制模塊與微處理器模塊連接，所述遠程分合閘控制模塊直接與微 處理器模塊連接，電源模塊為各個模塊供電，所述驅動模塊設有兩個與分閘線圈串聯的開 關管，還設有兩個與合閘線圈串聯的開關管，同時分閘線圈和合閘線圈還分別與兩個二極 管組成泄放回路。
2. 根據權利要求1所述的雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述開關管為IGBT管。
3. 根據權利要求1所述的雙穩態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. 根據權利要求1所述的雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述遠程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩壓管，再經過光耦 將信號接到微處理器。
5. 根據權利要求1所述的雙穩態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、斷路器分合閘狀態傳 感器、母線三相電壓電流傳感器、操動機構動鐵心位移傳感器。
6. 根據權利要求1所述的雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制裝置，其特征在 于，所述遠程分合閘控制模塊工作電壓為220V交直流，通過整流橋及穩壓管，再經過光耦 將信號接到微處理器。
7. -種雙穩態永磁真空斷路器快速分合閘的控制方法，其特征在于，當分閘線圈或合 閘線圈兩側的開關管被PWM控制模塊關斷時，利用續流二極管使動作線圈放電續流對相應 放電電容充電，同時非放電電容電壓作為反壓抵消互感所形成的感應電壓。
8. 根據權利要求7所述的雙穩態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，通過控制不同時間PWM斬波占空比，實現對放電 電流及感應電流大小的實時控制來調節操動機構動鐵心速度。
9. 根據權利要求7所述的雙穩態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，改變開關管B導通占空比控制放電電流，改變開關管C導通占空比控制感應電 流大小，分閘時，改變開關管D導通占空比控制放電電流，改變開關管A導通占空比控制感 應電流大小。
【文檔編號】H01H33/666GK104157509SQ201410366377
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】房淑華, 柳慶東, 黃允凱, 陳亞彬, 徐喆明, 林鶴云 申請人:東南大學