一种基于永磁开关的并联型备用电源及工作方法与流程

本发明涉及电力设备技术领域，特别涉及一种新型的基于永磁开关的并联型备用电源及工作方法，其具有系统电源暂态电压故障时确保负荷输入电压稳定的功能。

(二)

背景技术：

随着我国现代工业技术及人民生活水平的提高，电能质量问题日益凸显，电能质量治理技术已经成为解决电能质量问题的关键。目前电能质量问题的一个主要难题是系统电源的电压暂态故障，即电压暂降、暂升和短时中断，相应的解决方案常采用抗电压暂态扰动装置作为备用电源对电能质量进行有效治理，主要有动态电压恢复器(dvr——dynamicvoltageregulator)，后备式不间断电源(ups——uninterruptiblepowersystem)等，这些电能质量治理设备都使用了如图1所示的双向晶闸管做主回路，当系统电源ac正常时，电源通过晶闸管向负荷m供电，当系统电源ac出现故障后停止晶闸管触发信号，等晶闸管自然关断后启动双向直流-直流变换器和逆变器为负荷供电，从而保证了负荷的供电连续性。该电路主要是利用晶闸管的电流过零点自然关断特征，但晶闸管属于半导体器件，相对于机械开关具有损耗大、故障率高和无物理分断三种缺点。

晶闸管损耗大于机械开关，尤其当流过大电流时，由于晶闸管发热导致装置需要配备风机散热，这样不但增加了装置损耗还增加了装置成本。

晶闸管分断后无类似于机械开关的物理分断，因此需要在晶闸管的输入和输出侧安装机械开关，从而增加了装置成本。

随着机械开关技术的发展，尤其是永磁机械开关的发展，已经在电力系统得到了广泛应用，其分闸速度已经与晶闸管关断速度接近，甚至快于晶闸管，从而将永磁开关替代晶闸管用于备用电源具有合理性，因此使用机械开关不但可以有效提高装置工作效率，还降低了装置复杂性，并进一步降低了装置成本。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于永磁开关的并联型备用电源及工作方法，它可以弥补目前基于晶闸管的抗电压暂态扰动装置不足，其结构简单、容易实现，降低了成本，有效提高了备用电源的工作效率。

本发明的技术方案：一种基于永磁开关的并联型备用电源，包括逆变器模块、电源ac和负荷m，其特征在于它还包括储能模块、双向直流-直流变换器模块、开关控制器、励磁单元、开关驱动单元、传动机构、真空开关本体和rc吸收电路单元；其中，所述储能模块并联连接双向直流-直流变换器模块的低压侧；所述双向直流-直流变换器的高压侧与励磁单元的直流侧并联连接；所述开关控制器输入为电源ac三相电压，输出控制励磁单元的励磁电流方向；所述励磁单元的励磁电流输出端与开关驱动单元的励磁电流输入端连接；所述开关驱动单元的输出端与传动机构输入端连接；所述传动机构输出端与真空开关本体驱动输入端连接；所述真空开关本体交流输入端连接系统电源ac，其交流输出端连接负荷m；所述rc吸收电路并联连接于真空开关本体交流输入端和交流输出端两端。

所述真空开关本体是由三个单相真空开关本体组成；分别为a相真空开关本体、b相真空开关本体及c相真空开关本体；所述三个单相真空开关本体是永磁开关。

所述逆变器模块由三相逆变器和lc滤波器组成，其连接为常规连接方式。

所述储能模块为超级电容储能模块；所述超级电容模块由超级电容单体串并联组合而成。

所述励磁单元由三个单相励磁单元组成，分别为a相励磁单元、b相励磁单元及c相励磁单元，每相励磁单元由单相全桥逆变器构成；所述全桥逆变器是由开关管g1、开关管g2、开关管g3和开关管g4构成；所述开关管g1、开关管g2、开关管g3和开关管g4的拓扑结构为常规结构。

所述rc吸收电路是由相互并联的三条支路构成，每条支路均由电阻r和电容c串联连接组成。

所述开关驱动单元由三个单相单元组成，每相开关驱动单元由静铁心、永久磁铁、线圈、软磁体、弹簧和动铁心组成，其连接为常规连接，其中永久磁铁安装在动铁心上，线圈和软磁体安装在静铁心上，线圈缠绕软磁体，弹簧支撑动铁心；所述线圈的正负极两端作为励磁电流的输入端，与开励磁单元的励磁电流输出端连接。

所述传动机构有三个单相传动机构组成。

所述双向直流-直流变换器模块采用常规升压降压电路或基于高频变压器的直流-直流变换器。

一种基于永磁开关的并联型备用电源的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)开关控制器通过采样系统电源三相电压，并根据电压突变量检测算法判断系统电源是否正常，当系统电源正常时，真空开关本体中的永磁开关处于合闸状态，开关控制器输出igbt驱动信号控制励磁单元，驱动开关管g1和开关管g3，使其输出正向励磁电流到开关驱动单元的线圈，线圈上产生的电流作用在开关驱动单元的软磁体上分别产生与永久磁铁异性的两个磁场，且两个磁场产生吸合的磁力，该磁力将克服弹簧斥力将动铁心与静铁心吸合，驱动单元驱动传动机构，由传动机构实现真空开关本体的合闸；

(2)此时，系统电源ac将通过真空开关本体向负荷m供电；

(3)逆变器模块通过整流功能将系统电源ac电能转移到逆变器模块直流侧，并通过双向直流-直流变换器模块向超级电容储能模块充电，以实现能量存储；

(4)当开关控制器通过电压突变量检测算法发现系统电源ac发生暂态电压故障时，开关控制器通过驱动开关管g2和开关管g4控制励磁单元则输出反向的励磁电流到开关驱动电源的线圈上，所产生的线圈电流同样作用在开关驱动单元的软磁体上，此时将产生与永久磁体同性的磁场，产生排斥的磁力，该磁力与弹簧斥力同向，并使动铁心与静铁心弹开，开关驱动单元驱动传动机构，由传动机构实现真空开关本体分闸；

(5)rc吸收电路由于与真空开关本体并联，因此具有抑制真空开关本体两端电压突变的功能，而真空开关本体分闸时的电弧特性表现为电压突变现象，因此rc电路通过吸收真空开关本体分闸时产生的电弧能量，能够加快真空开关灭弧速度以实现快速分闸；

(6)分闸后，逆变模块将工作在电压源模式，超级电容储能模块通过双向直流-直流变换器模块向逆变器模块直流侧放电放电，此时的逆变器模块作为电压源以维持负荷m的正常工作；

(7)当开关控制器检测到系统电源ac恢复正常后，逆变器模块则退出电压源工作模式，开关驱动单元再次通过传动机构驱动真空开关本体合闸以维持负荷的正常工作。

本发明的优越性在于：

1)该基于永磁开关的并联型备用电源不再使用双向晶闸管模块和其相配套的机械开关，而是在主回路中加入永磁开关。

2)本发明的备用电源不但可以提高装置的工作效率而且实现了装置进一步集成化。

3)该装置没有实用晶闸管，则可以节省晶闸管配套开关电路，因此结构简单，可以有效地节约了产品成本，便于维护，易于操作，性价比较高。

4)由于使用了可控制磁场的软磁体和永久磁铁驱动单元，其相对于传统的基于弹操机构的真空开关结构极大简化，从而具有极快的响应速度、待机效率高、工作稳定的特点。

(四)附图说明：

图1为现有技术中双向晶闸管为主回路的并联型备用电源的电路结构示意图。

图2为本发明所涉一种基于永磁开关的并联型备用电源的整体结构示意图。

图3为本发明所涉一种基于永磁开关的并联型备用电源中单相励磁单元的结构示意图。

图4为本发明所涉一种基于永磁开关的并联型备用电源中单相开关驱动单元的结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于永磁开关的并联型备用电源，如图1所示，包括逆变器模块、电源ac和负荷m，其特征在于它还包括储能模块、双向直流-直流变换器模块、开关控制器、励磁单元、开关驱动单元、传动机构、真空开关本体和rc吸收电路单元；其中，所述储能模块并联连接双向直流-直流变换器模块的低压侧；所述双向直流-直流变换器的高压侧与励磁单元的直流侧并联连接；所示开关控制器输入为电源ac三相电压，输出控制励磁单元的励磁电流方向；所述励磁单元的励磁电流输出端与开关驱动单元的励磁电流输入端连接；所述开关驱动单元的输出端与传动机构输入端连接；所述传动机构输出端与真空开关本体驱动输入端连接；所述真空开关本体替换图4中的晶闸管，其交流输入端连接系统电源ac，其交流输出端连接负荷m；所述rc吸收电路并联连接于真空开关本体交流输入端和交流输出端两端。

所述真空开关本体是由三个单相真空开关本体组成；分别为a相真空开关本体、b相真空开关本体及c相真空开关本体；所述三个单相真空开关本体是永磁开关。

所述逆变器模块由三相逆变器和lc滤波器组成，其连接为常规连接方式。

所述储能模块为超级电容储能模块；所述超级电容模块由超级电容单体串并联组合而成。

所述励磁单元由三个单相励磁单元组成，分别为a相励磁单元、b相励磁单元及c相励磁单元，每相励磁单元由单相全桥逆变器构成，如图3所示，所述全桥逆变器是由开关管g1、开关管g2、开关管g3和开关管g4构成；所述开关管g1、开关管g2、开关管g3和开关管g4的拓扑结构为常规结构，如图2所示只给出了c相励磁单元。

所述rc吸收电路是由相互并联的三条支路构成，每条支路均由电阻r和电容c串联连接组成。

所述开关驱动单元由三个单相单元组成，每相开关驱动单元由静铁心、永久磁铁、线圈、软磁体、弹簧和动铁心组成，其连接为常规连接，其中永久磁铁安装在动铁心上，线圈和软磁体安装在静铁心上，线圈缠绕软磁体，弹簧支撑动铁心，如图3所示为单相开关驱动单元示意图；所述线圈的正负极两端作为励磁电流的输入端，与开励磁单元的励磁电流输出端连接；如图2所示只给出了c相开关驱动单元。

所述传动机构有三个单相传动机构组成，如图2所示只给出了c相传动机构。

所述双向直流-直流变换器模块采用常规升压降压电路或基于高频变压器的直流-直流变换器。

一种基于永磁开关的并联型备用电源的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)开关控制器通过采样系统电源三相电压，并根据电压突变量检测算法判断系统电源是否正常，当系统电源正常时，真空开关本体中的永磁开关处于合闸状态，开关控制器输出igbt驱动信号控制励磁单元，驱动开关管g1和开关管g3，使其输出正向励磁电流到开关驱动单元的线圈，线圈上产生的电流作用在开关驱动单元的软磁体上分别产生与永久磁铁异性的两个磁场，且两个磁场产生吸合的磁力，该磁力将克服弹簧斥力将动铁心与静铁心吸合，驱动单元驱动传动机构，由传动机构实现真空开关本体的合闸；

(2)此时，系统电源ac将通过真空开关本体向负荷m供电；

(3)逆变器模块通过整流功能将系统电源ac电能转移到逆变器模块直流侧，并通过双向直流-直流变换器模块向超级电容储能模块充电，以实现能量存储；

(4)当开关控制器通过电压突变量检测算法发现系统电源ac发生暂态电压故障时，开关控制器通过驱动开关管g2和开关管g4控制励磁单元则输出反向的励磁电流到开关驱动电源的线圈上，所产生的线圈电流同样作用在开关驱动单元的软磁体上，此时将产生与永久磁体同性的磁场，产生排斥的磁力，该磁力与弹簧斥力同向，并使动铁心与静铁心弹开，开关驱动单元驱动传动机构，由传动机构实现真空开关本体分闸；

(5)rc吸收电路由于与真空开关本体并联，因此具有抑制真空开关本体两端电压突变的功能，而真空开关本体分闸时的电弧特性表现为电压突变现象，因此rc电路通过吸收真空开关本体分闸时产生的电弧能量，能够加快真空开关灭弧速度以实现快速分闸；

(6)分闸后，逆变模块将工作在电压源模式，超级电容储能模块通过双向直流-直流变换器模块向逆变器模块直流侧放电放电，此时的逆变器模块作为电压源以维持负荷m的正常工作；

(7)当开关控制器检测到系统电源ac恢复正常后，逆变器模块则退出电压源工作模式，开关驱动单元再次通过传动机构驱动真空开关本体合闸以维持负荷的正常工作。

由此可见，本发明专利的基于永磁开关的并联型备用电源可保护负荷不受电网电压由于雷击或短路故障出现电压暂变的影响。