专利名称：断路器电机操动机构控制装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及输变电设备技术领域，特别涉及断路器电机操动机构控制装置及控制方法，用 于与高压开关设备相配合使用的电动机操动机构驱动控制。
背景技术：
对于断路器而言，要求操动机构既能获得较高的分合闸速度，又能快速实现自动重合闸操 作.现有的操动机构主要有液压操动机构和弹簧操动机构，大都由一整套机械装置构成，零部 件多，传动机构复杂，制造工艺要求高，且故障率高，运动过程不可控.电机操动机构是一种新 型的操动机构，而且需要机械能进行控制。
发明内容
针对断路器电机操动机构存在的不足，本发明提供集电网信号监测，驱动电机操动机构， 通讯等控制功能集合一体的能够有效达到断路器动作要求的驱动控制装置及控制方法。
该装置包括开关电源、储能电容器、电机绕组、控制芯片、分合闸电容器电压检测电路、 断路器位置检测电路、近控分合闸电路、远控分合闸电路、继电器放电驱动电路、电容电压 显示电路、通讯接口电路、电网电压电流采样电路和电机操动机构驱动电路，电机操动机构 驱动电路是由两个中心对称的电容和晶闸管串联并共同连接电机绕组形成的结构，其中丌关 电源分别与储能电容器、控制芯片和电机操动机构驱动电路连接，提供电能；电机绕组通过 电机操动机构驱动电路连接控制芯片，控制芯片控制电机动作；分合闸电容器电压检测电路 连接控制芯片，传递分合闸信号；断路器位置检测电路连接控制芯片，传递断路器开关位置 信号；近控分合闸电路、远控分合闸电路连接控制芯片，进行手动控制断路器分合闸；继电 器放电驱动电路连接控制芯片，对电容进行放电；电容电压显示电路连接控制芯片，显示电 容电压信号；通讯接口电路连接控制芯片；电网电压电流采样电路连接控制芯片，传递采集 到的电网电压和电网电流信号。
所述的电机操动机构驱动电路是控制芯片I/O输出端口分别向电机操动机构驱动电路传 递两支路控制信号，第一支路为1/0输出端口连接第一电阻(Rl)的输入端，第一电阻(Rl) 的输出端分别连接光电耦合器的一个输入端和滤波电容的输入端，光电耦合器的另一个输入 端与滤波电容的输出端相连，并且共同接地，光电耦合器的输出端连接第二电阻(R2)和第
4三电阻(R3)，第二电阻(R2)的输出端分别连接第一晶闸管(IGBT1)的栅极和稳压管，第 三电阻(R3)和稳压管的输出端相连，并同时接地，第二支路为1/0输出端口连接第四电阻
(Rl')的输入端，第四电阻(Rl')的输出端分别连接光电耦合器的一个输入端和滤波电容的 输入端，光电耦合器的另一个输入端与滤波电容的输出端相连，并且共同接地，光电耦合器 的输出端连接第五电阻(R2')和第六电阻(R3')，第五电阻(R2')的输出端分别连接第二晶 闸管(IGBT2)的栅极和稳压管，第六电阻(R3')和稳压管的输出端相连，并同时接地；开 关电源的正极与第一电容(Cl)和第二电容(C2)的正极相连，开关电源的负极与第一电容
(Cl)和第二电容(C2)的负极相连，第一晶闸管(IGBT1)的集电极与第一电容(Cl)的正 极相连、发射级与电机绕组正向相连，电机绕组的负向与第一电容(Cl)的负极相连，第二 晶闸管(IGBT2)的发射极与第二电容(C2)的正极相连、集电极与电机绕组的负向相连，电 机绕组的正向与第二电容(C2)的负极相连，这样就以电机绕组为中心形成俩对称半桥桥臂， 构成了中心对称半桥结构。
所述的储能电容器是为电机操动机构驱动电路提供电源的电解电容；所述的开关电源是 为交流和直流两用的电源模块。
本发明的工作过程系统上电，给电容充电，该装置显示电容充足信号。当电网出现故 障时，电网电压电流检测电路给控制芯片反馈值，控制芯片对采集的电网参数值进行判断， 判断是否在设定范围内，如果没在设定范围，该装置以中断的形式调用分合闸程序，发出控 制信号给电机操动机构驱动电路，电机操动机构驱动电路驱动电机操动机构动作，动作完成 之后检査断路器快关位置信息，判断是否达到动作要求，这样就使断路器工作，电网得以保 护。为了该装置和周围的安全，在断路器完成分合闸动作之后，该装置控制放电电路，对电 容器进行放电。当该装置需手动调试或远程控制时，系统调用手动分合闸控制程序或远程分 合闸程序。手动分合闸控制与远程分合闸控制以外部中断响应方式实现。
本发明的控制过程包括以下步骤
(1) 进行初始化；
(2) 检查电容电压充足信号；
(3) 检查是否有中断，如果有则执行中断，没有则顺序执行；
(4) 进行A/D转换；
(5) 判断电网参数值是否在其设定范围内；
(6) 如果不在设定范围，进行分合闸处理；
(7) 判断断路器开关位置是否满足动作要求；
(8) 为了保护控制器，控制器控制放电单元放电；(9)结束。
由于电机操动机构分为直流电机操动机构和交流电机操动机构，本设计中电机绕组为单 相绕组，可直接应用于直流电机操动机构。如果应用于交流电机操动系统可通过此单相结构 为基准再并联两相相同的对称半桥结构成为三相结构，再用控制芯片通过控制绝缘栅极晶体 管的导通顺序来控制每一相之间的相位差，从而实现对交流电机操动机构的驱动。
本发明有利于提高断路器关合、开断能力，以及断路器的机械、电气寿命和可靠性。分
合闸回路采用绝缘栅双极晶体管，充电时间短，动作电流小，可实现精确的时间控制。控制
芯片，实现系统编程功能。采用电源模块恒流充电方式，具有一次输出限流，二次输出短路
保护和多路输出各种所需电平的功能。适用性广，可实现直交流两用。设有分合闸电容器电
压检测电路和继电器放电驱动电路，有效提高该装置的精确性和安全性。电机操动机构驱动
电路整体结构简单、紧凑、成本低。
图1是本发明整体结构图2是本发明的接口原理图3是本发明的电机操动机构驱动电路；
图4是分合闸电容器电压检测电路；
图5是断路器位置检测电路；
图6是近控分合闸电路；
图7是远控分合闸电路；
图8是继电器放电驱动电路；
图9是电容电压显示电路；
图IO是通讯接口电路；
图ll一 (a)是电网电压电流采集电路之电网电压采集电路；
图ll一 (b)是电网电压电流采集电路之电网电流采集电路；
图12是本发明的主程序流程图。 图中l开关电源，2储能电容器，3控制芯片，4电机操动机构驱动电路，5电机绕组， 分、合闸电容器电压检测电路6， 7断路器位置检测电路，8近控分合闸电路，9远控分合闸 电路，IO继电器放电驱动电路，11电容电压显示电路，12通讯接口电路，13电网电压电流 采样电路，14编程口， 15光电耦合器。
具体实施例方式
6在木设计中，控制芯片为PIC16F873A单片机，PIC16F873A单片机设有RA、 RB、 RC三组 1/0接口，光电耦合器采用TLP521型，功率晶体管选择的是IGBT,电容选择的是20000uF/250V, 开关电源选择的是ZCC100-2P220AK型。在电网电压电流采集电路中选用星格公司的型号为 SPT204A和SCT254AZ的微型精密电压、电流互感器。电容电压检测电路中线性光耦采用 HCNR200型号。单片机与上位机通过符合RS-485标准的驱动芯片SN75LBC184进行通讯传输。 电机操动机构为采用直流电机。
该装置包括开关电源l、储能电容器2、电机绕组5、控制芯片3、分合闸电容器电压检 测电路6、断路器位置检测电路7、近控分合闸电路8、远控分合闸电路9、继电器放电驱动 电路IO、电容电压显示电路ll、通讯接口电路12、电网电压电流采样电路13，电机操动机 构驱动电路4，电机操动机构驱动电路4是由中心对称的第一电容(Cl)和第一晶闸管(IGBT1) 串联，第二电容(C2)和第二晶闸管(IGBT2)串联并共同连接电机绕组5形成的结构，其中 开关电源1分别与储能电容器2、单片机PIC16F873A的RC0端口和电机操动机构驱动电路4 的第一电容(Cl)和第二电容(C2)连接，提供电能；电机绕组5连接电机操动机构驱动电 路4的桥式结构；电机操动机构驱动电路4连接单片机PIC16F873A的RA2和RA4端口 ， RA2 输出分闸控制信号，RA4输出合闸控制信号，单片机PIC16F873A控制电机动作；分合闸电容 器电压检测电路6连接单片机PIC16F873A的RAO和RA1端口 ，传递分合闸信号；断路器位置 检测电路7连接单片机PIC16F873A的RB0端口，传递断路器开关位置信号；近控分合闸电路 8连接单片机PIC16F873A的RB1和RB2端n;远控分合闸电路9连接单片机PIC16F873A的 RB3和RB4端口，手动控制断路器分合闸；继电器放电驱动电路10连接单片机PIC16F873A 的RC1端口， RC1输出放电控制信号，对电容进行放电；电容电压显示电路11连接单片机 PIC16F873A的RC2端口 ，显示电容电压信号；通讯接口电路12连接单片机PIC16F873A的RC5、 RC6和RC7端口；电网电压电流采样电路13连接单片机PIC16F873A的RB5和RB6端口，传 递采集到的电网电压和电网电流信号；编程口 14，分别与VPP、 RB3、 RB6、 RB7相连；单片
机PIC16F873A的0SC1端口和OSC2端口与晶振电路相连，^CIi 端口与复位电路相连。
所述的电机操动机构驱动电路4为单片机PIC16F873A的I/O输出端口分别向电机操动机 构驱动电路4传递两支路控制信号，第一支路为I/0输出端口连接第一电阻(Rl)的输入端， 第-电阻(Rl)的输出端分别连接光电耦合器15的一个输入端和滤波电容(C)的输入端， 光电耦合器15的另一个输入端与滤波电容(C)的输出端相连，并且共同接地，光电耦合器 15的输出端连接第二电阻(K2)和第三电阻(R3)，第二电阻(R2)的输出端分别连接第一 晶闸管(1GBT1)的栅极和稳压管(TVS)，第三电阻(R3)和稳压管(TVS)的输出端相连，
7并同时接地，第二支路为1/0输出端口连接第四电阻(Rl')的输入端，第四电阻(Rl')的输 出端分别连接光电耦合器15的一个输入端和滤波电容(C)的输入端，光电耦合器15的另一 个输入端与滤波电容(C)的输出端相连，并且共同接地，光电耦合器15的输出端连接第五 电阻(R2')和第六电阻(R3')，第五电阻(R2')的输出端分别连接第二晶闸管(IGBT2)的栅 极和稳压管(TVS')，第六电阻(R3')和稳压管(TVS')的输出端相连，并同时接地；开关电 源1的正极与第一电容(Cl)和第二电容(C2)的正极相连，开关电源1的负极与第一电容 (Cl)和第二电容(C2)的负极相连，第一晶闸管(IGBT1)的集电极与第一电容(Cl)的正 极相连、发射级与电机绕组正向相连，电机绕组的负向与第一电容(Cl)的负极相连，第一 晶闸管(1GBT2)的发射极与第二电容(C2)的正极相连、集电极与电机绕组5的负向相连， 电机绕组5的正向与第二电容(C2)的负极相连。这样就以电机绕组5为中心形成俩对称半 桥桥臂，构成了中心对称半桥结构。
所述的储能电容器2是为电机操动机构驱动电路4提供电源的电解电容；所述的开关电 源1是为交流和直流两用的电源模块。
电源模块可提供5V、 12V、 220-240V电压，其中5V提供给单片机，12V提供给光电耦 合器和继电器，220-240V提供给电容器。
当装置正常上电后开关电源1给储能电容器2充电，分合闸电容器电压检测电路6检测 储能电容器2上的电压，同时给单片机PIC16F873A信号。当电容电压满足动作要求，单片机 PIC16F873A通过RC2端口给电容电压显示电路11，显示出电容充足指示。此时如果电网线路 出现故障，单片机PIC16F873A根据电网电压电流采样电路13采集的数据进行分析，把故障 数据通过通讯模块传到上位机，使上位机对其监控。同时单片机PIC16F873A发出分合闸的控 制信号，信号由RA2或RA4端口输出到电机操动机构驱动电路4上，此时接收到合、分闸指 令时对过零点进行判断，导通合分闸电机绕组5，当RA2发出分闸指令时，第一晶闸管(IGBT1) 导通电机绕组5正向得电，电机动作，断路器分闸。当RA4发出合闹指令时，第二晶闸管(IGBT2) 导通，电机绕组反向得电，电机反向动作，断路器合闸。通过测量开关位置量的变化，判断 分合闸是否成功，完成操作后，单片机PIC16F873A控制继电器放电驱动电路10对电容进行放 电。当单片机PIC16F873A采用手动时或故障调试时可通过近控分合闸电路8或远控分合闸电 路9进行控制。当系统想要改写或在线调试程序时可直接通过编程口 14来完成。
本发明的控制过程包括以下步骤
(1) 进行初始化；
(2) 检査电容电压充足信号；
(3) 检查是否有中断，如果有则执行中断，没有则顺序执行；(4) 进行A/D转换；
(5) 判断电网参数值是否在其设定范围内；
(6) 如果不在设定范围，进行分合闸处理；
(7) 判断断路器开关位置是否满足动作要求；
(8) 为了保护控制器，控制器控制放电单元放电；
(9) 结束。
由于电机操动机构分为直流电机操动机构和交流电机操动机构，本设计中电机绕组为单 相绕组，可直接应用于直流电机操动机构。如果应用于交流电机操动系统可通过此单相结构 为基准再并联两相相同的对称半桥结构成为三相结构，再用控制芯片通过控制绝缘栅极晶体 管的导通顺序来控制每一相之间的相位差，从
权利要求
1、一种断路器电机操动机构控制装置，其特征在于该装置包括开关电源、储能电容器、电机绕组、控制芯片、分合闸电容器电压检测电路、断路器位置检测电路、近控分合闸电路、远控分合闸电路、继电器放电驱动电路、电容电压显示电路、通讯接口电路、电网电压电流采样电路和电机操动机构驱动电路，电机操动机构驱动电路是由两个中心对称的电容和晶闸管串联并共同连接电机绕组形成的结构，开关电源分别与储能电容器、控制芯片和电机操动机构驱动电路连接，提供电能；电机绕组通过电机操动机构驱动电路连接控制芯片，控制芯片控制电机动作；分合闸电容器电压检测电路连接控制芯片，传递分合闸信号；断路器位置检测电路连接控制芯片，传递断路器开关位置信号；近控分合闸电路、远控分合闸电路连接控制芯片，手动控制断路器分合闸；继电器放电驱动电路连接控制芯片，对电容进行放电；电容电压显示电路连接控制芯片，显示电容电压信号；通讯接口电路连接控制芯片；电网电压电流采样电路连接控制芯片，传递采集到的电网电压和电网电流信号。
2、 根据权利要求1所述的一种断路器电机操动机构控制装置，其特征在于所述的电机操 动机构驱动电路是由两个中心对称的电容和晶闸管串联并共同连接电机绕组形成的结构是控 制芯片1/0输出端口分别向电机操动机构驱动电路传递两支路控制信号，第一支路为1/0输 出端口连接第一电阻(Rl)的输入端，第一电阻(Rl)的输出端分别连接光电耦合器的一个 输入端和滤波电容的输入端，光电耦合器的另一个输入端与滤波电容的输出端相连，并且共 同接地，光电耦合器的输出端连接第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，第二电阻(R2)的输出 端分别连接第一晶闸管(IGBT1)的栅极和稳压管，第三电阻(R3)和稳压管的输出端相连， 并同时接地，第二支路为1/0输出端口连接第四电阻(Rl')的输入端，第四电阻(Rl')的输 出端分别连接光电耦合器的一个输入端和滤波电容的输入端，光电耦合器的另一个输入端与 滤波电容的输出端相连，并且共同接地，光电耦合器的输出端连接第五电阻(R2')和第六电 阻(R3')，第五电阻(R2')的输出端分别连接第二晶闸管(IGBT2)的栅极和稳压管，第六电 阻(R3')和稳压管的输出端相连，并同时接地；开关电源的正极与第一电容(Cl)和第二电 容(C2)的正极相连，开关电源的负极与第一电容(Cl)和第二电容(C2)的负极相连，第 一晶闸管(IGBT1)的集电极与第一电容(Cl)的正极相连、发射级与电机绕组正向相连，电 机绕组的负向与第一电容(Cl)的负极相连，第二晶闸管(IGBT2)的发射极与第二电容(C2) 的正极相连、集电极与电机绕组的负向相连，电机绕组的正向与第二电容(C2)的负极相连， 这样就以电机绕组为中心形成俩对称半桥桥臂，构成了中心对称半桥结构。
3、 根据权利要求1所述的断路器电机操动机构控制装置，其特征在于所述的储能电容器 是为电机操动机构驱动电路提供电源的电解电容；所述的开关电源是为交流和直流两用的电 源模块。
4、权利要求l所述的断路器电机操动机构控制装置的控制方法，其特征在于: 包括以下步骤(1) 进行初始化；(2) 检查电容电压充足信号；(3) 检査是否有中断，如果有则执行中断，没有则顺序执行；(4) 进行A/D转换；(5) 判断电网参数值是否在其设定范围内；(6) 如果不在设定范围，进行分合闸处理；(7) 判断断路器开关位置是否满足动作要求；(8) 为了保护控制器，控制器控制放电单元放电；(9) 结束。
全文摘要
本发明涉及断路器电机操动机构控制装置及控制方法，该装置包括开关电源、储能电容器、电机绕组、控制芯片、分合闸电容器电压检测电路、断路器位置检测电路、近控分合闸电路、远控分合闸电话、继电器放电驱动电路、电容电压显示电路、通讯接口电路、电网电压电流采样电路、通讯接口电路和电机操动机构驱动电路。本发明有利于提高断路器关合、开断能力，以及断路器的机械、电气寿命和可靠性。适用性广，可实现直交流两用。
文档编号H01H3/00GK101534020SQ20091001111
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者刘爱民, 徐建源, 李家珏, 李永祥, 莘 林 申请人:沈阳工业大学