专利名称：真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置的制作方法
技术领域：
真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置技术领域[0001]本实用新型涉及真空触发开关领域，具体涉及一种真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置。
背景技术：
[0002]真空触发开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)又称为真空触发间隙(Triggered Vacuum Gap, TVG)，是真空开关的一个重要分支，它的发展与真空开关的发展是息息相关的。是一种将真空开关技术和三电极火花间隙技术相结合而发展起来的新型开关器件，其特点是利用真空作为主触头间的绝缘介质和灭弧介质，并采用特殊设计的触发极来控制开关进行快速关合。TVS作为一种具有极高发展前途的高参数快速可靠关合开关装置正引起研究人员的关注，作为电容储能型脉冲功率系统中的一个关键部件在电磁发射系统、各种高电压充磁机、爆炸力学研究中的脉冲放电系统、脉冲激光系统、脉冲磁场系统、高压断路器合成试验系统、故障电流限制等领域拥有较好的实用价值和广阔的应用前景。TVS的触发时延、触发精度以及工作寿命是TVS的关键参数。触发时延和触发精度主要受触发极结构参数、触发极介质材料、触发电压、触发电流即触发能量、主间隙电压、触发极和主电极极性等因素的影响。几乎所有TVS的寿命，都不是由于真空下降或电极烧损而告终，而是因触发系统中的触发极不能正常触发而停止工作，触发源的性能实际决定了 TVS的触发极工作寿命。对TVS的性能要求一般包括动作迅速性；一定的导流能力；可重复运行性；精确触发控制等。[0003]以往主要将TVS作为闭合开关，控制事先充电的电容器(组)对特定负载放电，主电路的初始工作电压为直流，不存在触发相位(交流电压工作点)的控制问题。而对于TVS在重复频率脉冲功率系统中的应用，比如高压开关的高电压实验系统、故障电流限制等场合， 则需要对TVS主电极的信号特征进行判断和预测，以便在预期的相位点对TVS进行精确的触发控制。实用新型内容[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，其能够对重复频率脉冲功率系统中的真空触发开关的触发源进行精确触发控制。[0005]为解决上述问题，本实用新型所设计的一种真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，主要由电压互感器、信号调理单元、信号采集单元、数据处理单元、触发控制单元、状态监控单元和触发单元组成；电压互感器的一次侧接在真空触发开关的主电极交流输入端上，电压互感器的二次侧与信号调理单元的输入端相连；信号调理单元的输出端经由信号采集单元接至数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端连接触发控制单元；触发控制单元的输出端连接在触发单元的输入端上；状态监控单元的输入端连接触发单元和真空触发开关，状态监控单元的输出端则连接数据处理单元；触发单元的输出端接在真空触发开关的触发极上。[0006]上述方案中，所述数据处理单元包括采样数据模块、数字滤波模块、数字锁相环模块、插值算法模块、零点预测模块、预期触发相位模块和数字延时模块；信号采集单元的输出端经采样数据模块与数字滤波模块的输入端相连；数字滤波模块的输出端分为两路，一路经由数字锁相环模块与预期触发相位模块的输入端连接，另一路则依次经过插值算法模块和零点预测模块与预期触发相位模块的输入端连接；数字延时模块连接在预期触发相位模块的输入输出端上；预期触发相位模块的输出端连接触发控制单元的输入端。[0007]上述方案中，所述数字滤波模块为有限长单位冲激响应数字滤波模块。[0008]上述方案中，所述电压互感器的一次侧经由变压器和电抗器与真空触发开关的主电极交流输入端相连；上述电压互感器的一次侧与变压器的一次侧连接，变压器的二次侧的其中一端经过电抗器与真空触发开关的阳极相连，变压器的二次侧的另一端则直接与真空触发开关的阴级相连。[0009]与现有技术相比，本实用新型具有如下特点[0010]I.交流主电路电压预期触发相位点的控制，硬件基于现场可编程门阵列(FPGA)、 16位A/D转换器和DSP2812，软件实现采用64点有限长冲激响应FIR数字滤波和插值算法， 进行相位检测和跟踪，具有检测速度快和控制精度高的优点；[0011]2. TVS触发电源采用高压击穿、大电流续流的工作方式，设置触发源自身储能单元监测和控制模块，实现单次触发供给TVS的触发能量精确可控，采用本方法可以有效的避免由于保证可靠导通而施加过多不必要的触发能量，造成TVS触发极不必要的烧蚀和触发材料的耗散；[0012]3.触发控制系统监测TVS每次触发过程中施加的触发能量、主电极导通状态、工作环境为度和湿度，通过分析当前准备触发的工作条件和操作历史数据，合理制定本次可靠触发应该施加的触发能量，采用该措施可以根据TVS的具体工况和操作历史来选择既能保证可靠导通，又不会对触发极和材料造成不必要烧蚀的触发能量控制策略；[0013]4. TVS触发控制器预留光纤CAN总线通信接口，可以方便实现TVS远程触发控制， 电气隔离安全性好，另外可以根据需要传输存储在触发控制器存储单元里的TVS触发源状态信息和操作历史数据，以便分析和远程调整所需的触发控制参数。
[0014]图I为真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置原理图；[0015]图2为图I中数据处理单元的原理图；[0016]图3为真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置的具体应用实例图。
具体实施方式
[0017]一种真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置如图I所示，其主要由电压互感器、信号调理单元、信号采集单元、数据处理单元、触发控制单元、状态监控单元和触发单元组成；电压互感器的一次侧接在真空触发开关的主电极交流输入端上，电压互感器的二次侧与信号调理单元的输入端相连；信号调理单元的输出端经由信号采集单元接至数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端连接触发控制单元；触发控制单元的输出端连接在触发单元的输入端上；状态监控单元的输入端连接触发单元和真空触发开关，状态监控单元的输出端则连接数据处理单元；触发单元的输出端接在真空触发开关的触发极上。电压互感器的作用为测量真空触发开关(TVS)工作主电路工作电压。电压互感器输出经过二次传感后送入信号调理单元进行比例放大、滤波等环节。经过调理后的信号经A/D转换器变换后由核心处理单元进行数据运算、相位跟踪及触发控制算法。触发控制单元的功能是给触发装置发触发和控制指令，控制TVS操作。状态监控单元的作用1、检测TVS及主电路状态，记录TVS操作历史和触发导通情况；2、监测触发装置的状态，包括触发装置储能情况、环境温度、储能电容充电状况，给触发控制单元的控制触发提供依据。触发装置 为TVS触发源主电路，由高压小电流击穿电路和低压大电流续流电路2部分构成。高压小电流电路主要作用是在高电压作用下使触发极及其所在的主电极产生击穿放电，低压大电流电路的作用是提供足够的能量使击穿放电能够持续，并且保证输入的能量。TVS触发电源采用高压击穿、小电流续流的工作方式，设置触发源自身储能单元监测和控制模块，实现单次触发供给TVS的触发能量精确可控，采用本方法可以有效的避免由于保证可靠导通而施加过多不必要的触发能量，造成TVS触发极不必要的烧蚀和触发材料的耗散。在本实用新型中，所述数据处理单元如图2所示，包括采样数据模块、数字滤波模块、数字锁相环模块、插值算法模块、零点预测模块、预期触发相位模块和数字延时模块；信号采集单元的输出端经采样数据模块与数字滤波模块的输入端相连；数字滤波模块的输出端分为两路，一路经由数字锁相环模块与预期触发相位模块的输入端连接，另一路则依次经过插值算法模块和零点预测模块与预期触发相位模块的输入端连接；数字延时模块连接在预期触发相位模块的输入输出端上；预期触发相位模块的输出端连接触发控制单元的输入端。在本实用新型优选实施例中，所述数字滤波模块为有限长单位冲激响应数字滤波模块。交流主电路电压预期触发相位点的控制，硬件基于现场可编程门阵列(FPGA)、16位A/D转化器和DSP2812，软件实现采用64点有限长冲激响应FIR数字滤波和插值算法，进行相位检测和跟踪，具有检测速度快和控制精度高的优点。具体实现过程为TVS主电路待跟踪电压，经过电压互感器变换，信号调理经A/D采样后送入核心数据处理单元DSP2812，其中进行64点有限长冲激响应FIR数字滤波并完成插值算法，探测被监控量的零点作为预期触发相位的判断依据之一，FIR数字滤波输出送入数字锁相环进行相位跟踪作为期触发相位的判断依据之一，经过需要的延时时间后发相控触发指令。电压互感器既可以接交流高压主电路，此时电压互感器的一次侧直接安装在真空触发开关的主电极交流输入端即TVS主电极之间。电压互感器也可以如图3所示，接在变压器的低压侧来获得相位参考信号，此时电压互感器的一次侧与变压器的一次侧连接，变压器的二次侧的其中一端经过电抗器与真空触发开关的阳极相连，变压器的二次侧的另一端则直接与真空触发开关的阴级相连。TVS的主电极分别接于待控制电路，主电极两端承受外施高压交流形式负荷。电压互感器的二次侧经过相位检测后送入主控制器即核心处理单元及触发控制单元中，主控制器的输出经过触发装置与真空触发开关的触发极相连。电压互感器负责工作过程中的变量检测、控制作用。相位检测装置接收电压互感器的输出信号，作为相位跟踪和控制的参考信号。主控制器进行数据运算、相位跟踪、触发控制算法及发送触发信号。触发装置提供TVS触发导通的能量，具体工作方式由主控制器根据TVS和触发装置的状态，以及主电路工作需要决定。·
权利要求1.真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，其特征在于主要由电压互感器、信号调理单元、信号采集单元、数据处理单元、触发控制单元、状态监控单元和触发单元组成；电压互感器的一次侧接在真空触发开关的主电极交流输入端上，电压互感器的二次侧与信号调理单元的输入端相连；信号调理单元的输出端经由信号采集单元接至数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端连接触发控制单元；触发控制单元的输出端连接在触发单元的输入端上；状态监控单元的输入端连接触发单元和真空触发开关，状态监控单元的输出端则连接数据处理单元；触发单元的输出端接在真空触发开关的触发极上。
2.根据权利要求I所述的真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，其特征在于数据处理单元包括采样数据模块、数字滤波模块、数字锁相环模块、插值算法模块、 零点预测模块、预期触发相位模块和数字延时模块；信号采集单元的输出端经采样数据模块与数字滤波模块的输入端相连；数字滤波模块的输出端分为两路，一路经由数字锁相环模块与预期触发相位模块的输入端连接，另一路则依次经过插值算法模块和零点预测模块与预期触发相位模块的输入端连接；数字延时模块连接在预期触发相位模块的输入输出端上；预期触发相位模块的输出端连接触发控制单元的输入端。
3.根据权利要求2所述的真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，其特征在于所述数字滤波模块为有限长单位冲激响应数字滤波模块。
4.根据权利要求I所述的真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，其特征在于所述电压互感器的一次侧经由变压器和电抗器与真空触发开关的主电极交流输入端相连；上述电压互感器的一次侧与变压器的一次侧连接，变压器的二次侧的其中一端经过电抗器与真空触发开关的阳极相连，变压器的二次侧的另一端则直接与真空触发开关的阴级相连。
专利摘要本实用新型公开一种真空触发开关交流条件下相位跟踪与触发控制装置，主要由电压互感器、信号调理单元、信号采集单元、数据处理单元、触发控制单元、状态监控单元和触发单元组成；电压互感器的一次侧接在真空触发开关的主电极交流输入端上，电压互感器的二次侧与信号调理单元的输入端相连；信号调理单元的输出端经由信号采集单元接至数据处理单元的输入端；数据处理单元的输出端连接触发控制单元；触发控制单元的输出端连接在触发单元的输入端上；状态监控单元的输入端连接触发单元和真空触发开关，状态监控单元的输出端则连接数据处理单元；触发单元的输出端接在真空触发开关的触发极上。本实用新型能够对重复频率脉冲功率系统中的真空触发开关的触发源进行精确触发控制。
文档编号H01H33/59GK202736824SQ20122031531
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者张鑫, 范兴明, 杨家志, 刘华东, 李震 申请人:桂林电子科技大学