一种解决单线圈或双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种解决单线圈或双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构及控制方法，拓扑结构包括单线圈或双线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器，电流互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与开关管的门极连接。本发明采用预先充磁的方法控制永磁机构线圈励磁电流，通过电流反馈精确控制开关管导通，实现永磁机构永磁体初始状态电流一致，有效解决了永磁机构因闲置时间导致动作分散性的难题；储能电容经开关管控制给永磁机构线圈励磁，实现分合闸动作，采用特定控制时序同时解决了开关管续流问题避免了合分闸过程开关关断产生过电压，达到降低永磁机构闲置一段时间后首次动作分合闸时间与平均分合闸时间差别最小化。
【专利说明】
一种解决单线圈或双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构及控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于永磁线圈电路控制领域，具体涉及一种解决单线圈或双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构及控制方法，适于单线圈及双线圈永磁机构电流反馈型电路拓扑。
【背景技术】
[0002]现有的永磁机构在闲置一段时间后首次动作分合闸时间与平均分合闸时间差别较大，大部分机构该时间分散性达到4_5ms。采用最新的相控技术需要机构分散性控制在
0.5ms内，对机构结构设计及性能提出了更高要求。经大量实验及分析得出:对于单一环境使用的机构，其机构分散性的原因主要是前次动作永磁体的剩磁不一致引起的。为此通过预先充磁使机构每次动作之前永磁体剩磁一致可以保证机构动作分散性降至最小。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种解决单线圈或双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构及控制方法，通过电流反馈精确控制开关管导通，实现永磁机构永磁体初始状态电流一致，有效解决了永磁机构因闲置时间导致动作分散性的难题。
[0004]本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:
[0005]—种解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，包括单线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器；
[0006]所述单线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容(分合闸电容)、_乔、永磁机构励磁线圈构成，H桥包括上桥臂的第一开关管、第一续流二极管、第三开关管、第三续流二极管和下桥臂的第二开关管、第二续流二极管、第四开关管、第四续流二极管，储能电容正极与H桥上桥臂连接形成共联节点，储能电容负极与H桥下桥臂连接形成共联节点，永磁机构励磁线圈两端分别跨接于H桥臂中点，电流互感器串在储能电容与H桥上桥臂的连接导线上；
[0007]所述电流互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的门极连接，控制器用于接收电流互感器的采样信号及外界分合闸命令，并发出PWM信号给第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，控制各个开关管通断。
[0008]按上述方案，所述电流互感器为穿心霍尔型，串在储能电容放电主回路中，实现对永磁机构励磁线圈放电电流实时检测。
[0009]本发明还提供了一种上述解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，包括如下步骤:
[0010]I)当控制器收到合闸指令时，H桥第一开关管及第四开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、第一开关管、永磁机构线圈、第四开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第一开关管和第四开关管的导通占空比控制励磁线圈电流；
[0011]2)当合闸过程结束前关断H桥第一开关管，第四开关管仍导通，电流流经路径按永磁机构线圈、第四开关管、第二续流二极管形成回路，当电流衰减至零后关断H桥第四开关管，合闸过程结束；
[0012]3)当控制器收到分闸指令时，H桥第二开关管及第三开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、第三开关管、永磁机构线圈、第二开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第二开关管和第三开关管的导通占空比控制励磁线圈电流；
[0013]4)当分闸过程结束前关断H桥第三开关管，电流流经路径按永磁机构线圈、第二开关管、第四续流二极管形成回路，当电流衰减至零后关断H桥第二开关管，分闸过程结束。
[0014]按上述方案，针对单线圈永磁机构驱动电路，先由实验测得永磁机构动作起始电流峰值，记合闸动作起始电流峰值为1哈，分闸动作起始电流峰值为i吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出PWM信号给第一开关管及第四开关管，第一开关管T1及第四开关管T4导通，且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到
0.Si哈立即关断第一开关管，当电流衰减至零时封锁第四开关管的PffM信号，关断第四开关管，预充磁过程结束，整个过程持续不到1ms;分闸过程同此规律。
[0015]本发明还提供了一种解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，包括双线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器；
[0016]所述双线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容(分闸或合闸电容)、开关管、续流二极管、永磁机构励磁线圈(分闸或合闸线圈)构成，储能电容正极与续流二极管阴极及永磁机构励磁线圈一端连接形成第一节点，储能电容负极与开关管发射极连接形成第二节点，续流二极管阳极与永磁机构励磁线圈另一端及开关管集电极连接形成第三节点，电流互感器串在储能电容正极与第一节点之间的连接导线上；
[0017]所述电流互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与开关管的门极连接，控制器用于接收电流互感器的采样信号及外界分合闸命令，并发出PWM控制波形给开关管。
[0018]按上述方案，所述电流互感器为穿心霍尔型，串在储能电容放电主回路中，实现对永磁机构励磁线圈放电电流实时检测。
[0019]本发明还提供了一种上述解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，包括如下步骤:
[0020]I)当控制器收到分合闸指令时，开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、永磁机构线圈、开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第一开关管的导通占空比可以控制励磁线圈电流。
[0021]2)当合闸或分闸过程结束前关断开关管，电流流经路径按永磁机构线圈、续流二极管形成回路，当电流衰减至零后合闸或分闸过程结束。
[0022]按上述方案，针对双线圈永磁机构先由实验测得永磁机构动作起始电流峰值，记合闸起始动作电流峰值为i ’哈，分闸起始动作电流峰值为i ’吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出PWM信号给开关管，开关管导通且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到0.Si’哈立即封锁开关管的PffM信号，关断开关管，预充磁过程结束，整个过程持续不到1ms(在上述过程结束后即可进行正常分合闸操作)，分闸过程同此规律。
[0023]本发明的有益效果在于:
[0024]1、采用预先充磁的方法控制永磁机构线圈励磁电流，通过电流反馈精确控制开关管导通，实现永磁机构永磁体初始状态电流一致，有效解决了永磁机构因闲置时间导致动作分散性的难题；
[0025]2、储能电容经开关管控制给永磁机构线圈励磁，实现分合闸动作，采用特定控制时序同时解决了开关管续流问题避免了合分闸过程开关关断产生过电压，达到降低永磁机构闲置一段时间后首次动作分合闸时间与平均分合闸时间差别最小化。
【附图说明】
[0026]图1为本发明解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构图；
[0027]图2为本发明单线圈永磁机构驱动电路合闸回路示意图；
[0028]图3为本发明单线圈永磁机构驱动电路合闸回路续流示意图；
[0029]图4为本发明单线圈永磁机构驱动电路分闸回路示意图；
[0030]图5为本发明单线圈永磁机构驱动电路分闸回路续流示意图；
[0031 ]图6为本发明解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构图；
[0032]图7为本发明双线圈永磁机构驱动电路分合闸回路示意图；
[0033]图8为本发明双线圈永磁机构驱动电路分合闸回路续流示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0035]如图1所示，本发明所述的解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，包括单线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器，单线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容C(分合闸电容)、H桥、永磁机构励磁线圈构成，H桥包括上桥臂的第一开关管!^、第一续流二极管D1、第三开关管T3、第三续流二极管D3和下桥臂的第二开关管T2、第二续流二极管出、第四开关管T4、第四续流二极管D4,储能电容C正极与H桥上桥臂连接形成共联节点，储能电容C负极与H桥下桥臂连接形成共联节点，永磁机构励磁线圈两端分别跨接于H桥臂中点，电流互感器CT串在储能电容C与H桥上桥臂的连接导线上；电流互感器CT与控制器的输入端连接，控制器的输出端与第一开关管T1、第二开关管Τ2、第三开关管T3和第四开关管T4的门极连接，控制器用于接收电流互感器的采样信号及外界分合闸命令，并发出PWM信号(控制波形)给第一开关管T1、第二开关管Τ2、第三开关管T3和第四开关管Τ4，控制各个开关管通断。
[0036]上述解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，包括如下步骤:
[0037]I)当控制器收到合闸指令时，H桥第一开关管T1及第四开关管T4导通，电流流经路径按C+jTi—U—Rs—h—C-，通过控制第一开关管T1和第四开关管T4的导通占空比控制励磁线圈电流，如图2所示；
[0038]2)当合闸过程结束前关断H桥第一开关管T1，第四开关管T4仍导通，电流流经路径按LS4RS4T4—D2，当电流衰减至零后关断H桥第四开关管T4，合闸过程结束，如图3所示；
[0039]3)当控制器收到分闸指令时，H桥第二开关管T2及第三开关管T3导通，电流流经路径按C+—T3—Rs—Ls—Τ2—C-，通过控制第二开关管T2和第三开关管T3的导通占空比控制励磁线圈电流，如图4所示；
[0040]4)当分闸过程结束前关断H桥第三开关管Τ3，第二开关管T2仍导通，电流流经路径按RS4LS—T2—D4，当电流衰减至零后关断H桥第二开关管Τ2，分闸过程结束，如图5所示。[0041 ]针对单线圈永磁机构先由实验测得永磁机构动作起始电流峰值，记合闸动作起始电流峰值为1哈，分闸动作起始电流峰值为i吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出P丽信号给第一开关管T1及第四开关管T4，第一开关管T1及第四开关管T4导通，且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到0.Si哈立即关断第一开关管!^(封锁第一开关管Tj^PWM信号)，当电流衰减至零时封锁第四开关管T4的PWM信号，关断第四开关管Τ4，预充磁过程结束，整个过程持续不到10ms，在上述过程结束后即可进行正常合闸操作，分闸过程同此规律。
[0042]如图6所示，本发明所述的双线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容(分闸或合闸电容)、开关管T、续流二极管D、永磁机构励磁线圈(分闸或合闸线圈)构成，储能电容C+正极与续流二极管D阴极及永磁机构励磁线圈一端连接形成第一节点①，储能电容C+负极与开关管T发射极连接形成第二节点②，续流二极管D阳极与永磁机构励磁线圈另一端及开关管T集电极连接形成第三节点③，电流互感器CT串在储能电容C+与第一节点①之间的连接导线上；电流互感器CT与控制器的输入端连接，控制器的输出端与开关管T的门极连接，控制器用于接收电流互感器CT的采样信号及外界分合闸命令，并发出P丽信号(控制波形)给开关管T，控制开关管T通断。
[0043]上述解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，包括如下步骤:
[0044]I)当控制器收到分合闸指令时，开关管T导通，电流流经路径按C+^Ls—Rs—T—C-，通过控制开关管T导通占空比可以控制励磁线圈电流，如图7所示；
[0045]2)当合闸或分闸过程结束前关断开关管T，电流流经路径按Ls—Rs—D，当电流衰减至零后合闸或分闸过程结束，如图8所示。
[0046]针对双线圈永磁机构先由实验测得永磁机构起始动作电流峰值，记合闸起始动作电流峰值为i ’Q合，分闸起始动作电流峰值为i ’吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出PffM信号给开关管T，开关管T导通且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到0.Si’哈立即封锁开关管T的PWM信号，关断开关管T，预充磁过程结束，整个过程持续不到10ms，在上述过程结束后即可进行正常合闸操作，分闸过程同此规律。
[0047]上述电流互感器CT均为穿心霍尔型，串在储能电容放电主回路中，实现对永磁机构励磁线圈放电电流实时检测。
[0048]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
【主权项】
1.一种解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，其特征在于，包括单线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器； 所述单线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容、H桥、永磁机构励磁线圈构成，H桥包括上桥臂的第一开关管、第一续流二极管、第三开关管、第三续流二极管和下桥臂的第二开关管、第二续流二极管、第四开关管、第四续流二极管，储能电容正极与H桥上桥臂连接形成共联节点，储能电容负极与H桥下桥臂连接形成共联节点，永磁机构励磁线圈两端分别跨接于H桥臂中点，电流互感器串在储能电容与H桥上桥臂的连接导线上； 所述电流互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的门极连接，控制器用于接收电流互感器的采样信号及外界分合闸命令，并发出PWM信号给第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，控制各个开关管通断。2.根据权利要求1所述的解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，其特征在于，所述电流互感器为穿心霍尔型，串在储能电容放电主回路中，实现对永磁机构励磁线圈放电电流实时检测。3.—种上述权利要求1?2任一项所述的解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)当控制器收到合闸指令时，H桥第一开关管及第四开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、第一开关管、永磁机构线圈、第四开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第一开关管和第四开关管的导通占空比控制励磁线圈电流； 2)当合闸过程结束前关断H桥第一开关管，第四开关管仍导通，电流流经路径按永磁机构线圈、第四开关管、第二续流二极管形成回路，当电流衰减至零后关断H桥第四开关管，合闸过程结束； 3)当控制器收到分闸指令时，H桥第二开关管及第三开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、第三开关管、永磁机构线圈、第二开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第二开关管和第三开关管的导通占空比控制励磁线圈电流； 4)当分闸过程结束前关断H桥第三开关管，电流流经路径按永磁机构线圈、第二开关管、第四续流二极管形成回路，当电流衰减至零后关断H桥第二开关管，分闸过程结束。4.根据权利要求3所述的解决单线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，针对单线圈永磁机构驱动电路，先由实验测得永磁机构动作起始电流峰值，记合闸动作起始电流峰值为iQ合，分闸动作起始电流峰值为1吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出PWM信号给第一开关管及第四开关管，第一开关管T1及第四开关管T4导通，且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到0.Si哈立即关断第一开关管，当电流衰减至零时封锁第四开关管的PWM信号，关断第四开关管，预充磁过程结束，整个过程持续不到1ms;分闸过程同此规律。5.—种解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，其特征在于，包括双线圈永磁机构驱动电路、控制器及电流互感器； 所述双线圈永磁机构驱动电路由大容量储能电容、开关管、续流二极管、永磁机构励磁线圈构成，储能电容正极与续流二极管阴极及永磁机构励磁线圈一端连接形成第一节点，储能电容负极与开关管发射极连接形成第二节点，续流二极管阳极与永磁机构励磁线圈另一端及开关管集电极连接形成第三节点，电流互感器串在储能电容正极与第一节点之间的连接导线上； 所述电流互感器与控制器的输入端连接，控制器的输出端与开关管的门极连接，控制器用于接收电流互感器的采样信号及外界分合闸命令，并发出PWM控制波形给开关管。6.根据权利要求5所述的解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构，其特征在于，所述电流互感器为穿心霍尔型，串在储能电容放电主回路中，实现对永磁机构励磁线圈放电电流实时检测。7.—种上述权利要求5?6任一项所述的解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)当控制器收到分合闸指令时，开关管导通，电流流经路径按储能电容正极、永磁机构线圈、开关管、储能电容负极形成回路，通过控制第一开关管的导通占空比可以控制励磁线圈电流。 2)当合闸或分闸过程结束前关断开关管，电流流经路径按永磁机构线圈、续流二极管形成回路，当电流衰减至零后合闸或分闸过程结束。8.根据权利要求7所述的解决双线圈永磁机构因闲置时间导致动作分散性的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，针对双线圈永磁机构先由实验测得永磁机构动作起始电流峰值，记合闸起始动作电流峰值为i ’哈，分闸起始动作电流峰值为i ’吩，在控制器收到合闸动作指令时，控制器发出HVM信号给开关管，开关管导通且导通占空比由零逐渐增大，电流互感器实时检测线圈电流，当线圈电流峰值达到0.Si’哈立即封锁开关管的PWM信号，关断开关管，预充磁过程结束，整个过程持续不到10ms，分闸过程同此规律。
【文档编号】H02M3/07GK106059289SQ201610512779
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】刘波, 陈轩恕, 顾丕骥, 冯万兴, 朱永刚
【申请人】国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司, 宝鸡同步电器有限公司