一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置及方法，当分闸线圈或合闸线圈两侧的开关管均关断时，利用续流二极管使其线圈续流对相应放电电容放电，同时非放电电容电压作为反压，抵消由于互感所形成的感应电压。解决现有双稳态操动机构动作时电容压降过大，感应电流影响动作的问题，降低操作电压，减小放电峰值电流，其PWM驱动控制模块可以根据需要调节机构动作速度，减小触头弹跳，使动作特性更符合断路器灭弧特性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置及方法，属于领 域。 一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置及方法
【背景技术】
[0002] 永磁真空断路器以其体积小、结构简单、故障率低、适用于频繁操作等优点，迅速 占领了中压断路器市场，在电力系统中获得广泛应用。永磁真空断路器分为单稳态和双稳 态两种，其中双稳态永磁真空断路器的操动机构包含合闸线圈和分闸线圈两个线圈，由于 线圈互感作用，动作时的感应电流影响较大。传统控制器采用加大电容容量或增大放电电 压来克服感应电流的影响，这样的缺点是增大了器件上的电压和通过的电流，降低了控制 器寿命，提高了成本。同时，由于断路器在自动重合闸方面有固定要求，电容压降太大对电 容充电电路具有较高要求。现有的控制器采用继电器来控制感应电流，其缺点是由于放电 电流较大，继电器的使用大大降低了整个装置的可靠性。
【发明内容】
[0003] 发明目的：本发明提出一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置及方 法，解决现有双稳态操动机构动作时电容压降过大，感应电流影响动作的问题。
[0004] 技术方案：本发明米用的技术方案为一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控 制装置，包括微处理器模块、电源模块、信号采集和处理模块、人机交互模块、驱动模块、PWM 控制模块、远程分合闸控制模块、通信模块、外部存储模块，所述人机交互模块通过通信模 块与微处理器模块连接，所述驱动模块通过PWM控制模块与微处理器模块连接，所述远程 分合闸控制模块直接与微处理器模块连接，电源模块为各个模块供电，所述驱动模块设有 两个与分闸线圈串联的开关管，还设有两个与合闸线圈串联的开关管，同时分闸线圈和合 闸线圈还分别与两个二极管组成泄放回路。
[0005] 优选地，所述开关管为IGBT管。
[0006] 优选地，所述通信模块包括：485通信模块、232通信模块。
[0007] 优选地，所述远程分合闸控制模块工作电压为220V交直流，通过整流桥及稳压 管，再经过光耦将信号接到微处理器。
[0008] 优选地，所述信号采集模块包括：电容电压传感器、线圈放电电流传感器、断路器 分合闸状态传感器、母线三相电压电流传感器、操动机构动铁心位移传感器。
[0009] 优选地，所述远程分合闸控制模块工作电压为220V交直流，通过整流桥及稳压 管，再经过光耦将信号接到微处理器。
[0010] 一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制方法，当分闸线圈或合闸线圈两侧 的开关管均关断时，利用续流二极管使动作线圈放电续流对相应放电电容充电，同时非放 电电容电压作为反压抵消互感所形成的感应电压。
[0011] 优选地，所述PWM控制模块在线圈放电过程中，通过控制不同时间PWM斩波占空 t匕，实现对放电电流及感应电流大小的实时控制来调节操动机构动铁心速度。
[0012] 优选地，合闸时，改变开关管B导通占空比控制放电电流，改变开关管C导通占空 比控制感应电流大小，分闸时，改变开关管D导通占空比控制放电电流，改变开关管A导通 占空比控制感应电流大小。
[0013] 有益效果：1、本发明专利针对双稳态永磁真空断路器操动机构完成一次动作后， 电容压降过大影响重合闸的情况，通过改进驱动电路，增加反向续流回路，使放电续流为放 电电容充电，减小电容压降。
[0014] 2、本发明专利针对双稳态永磁真空断路器操动机构动作时，线圈感应电流阻碍动 作的特点，通过改进驱动电路，利用电容本身的电压作为加在线圈两端的反压，阻止了感应 电流的产生，去除感应电流影响，降低操作电压，减小放电电流峰值，提高动作速度。
[0015] 3、本发明专利采用PWM驱动控制电路，实时调节放电电流斩波占空比，
[0016] 使动铁心动作特性更符合断路器灭弧特性。在动作过半之后适当导通感应电流， 对动铁心起到缓冲作用，减轻弹跳。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明专利控制器原理框图；
[0018] 图2为驱动模块电路原理图；
[0019] 图3为本发明中磁场示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各 种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0021] 如图1所示，本发明装置包括微处理器模块、电源模块、信号采集和处理模块、人 机交互模块、驱动模块、PWM控制模块、远程分合闸控制模块、通信模块、外部存储模块，所述 人机交互模块通过通信模块与微处理器模块连接，所述驱动模块通过PWM控制模块与微处 理器模块连接，所述远程分合闸控制模块直接与微处理器模块连接，电源模块为各个模块 供电。
[0022] 在驱动合闸IGBT开关B和分闸IGBT开关D两个开关管时，可以直接提供导通或 关闭信号，也可以采用PWM控制模块驱动。本实施例采用PWM控制模块，则在合闸线圈L1 和分闸线圈L2放电过程中，通过控制PWM斩波占空比，实现对放电电流大小的实时控制来 调节操动机构动铁心速度，使动铁心动态特性更接近于断路器灭弧特性。如在机构分闸时， 希望动铁心初始速度快，合闸时希望动作完成时有一定缓冲，减小触头弹跳，则在PWM控制 器中设计放电电流斩波占空比由大到小。在驱动合闸感应电流IGBT开关A和分闸感应电 流IGBT开关C两个续流回路开关管时，也可以采用PWM控制模块驱动。在合闸动作开始一 段时间后，通过控制分闸感应电流IGBT开关C驱动信号PWM斩波占空比，调节感应电流大 小，对动铁心起缓冲作用，避免过大弹跳。分闸过程类似。
[0023] 上述信号采集模块包括：电容电压、线圈放电电流、分合闸状态、母线三相电压电 流、操动机构动铁心位移，这些信号经过处理通过通信模块发送到上位机用于故障诊断。电 容电压采用霍尔电压传感器、线圈放电电流采用霍尔电流传感器；断路器分合闸状态监测 使用接近开关，所述母线三相电压电流采用三相电采集芯片ATT7022B，所述操动机构动触 头位移采用电位器式位移传感器。
[0024] 所述通信模块包括：485通信模块、232通信模块。485通信模块通过微处理器的 SCI接口经485通信芯片转换得到，232通信模块通过微处理器的SCI接口经232通信芯片 转换得到。
[0025] 所述的人机交互模块为触摸屏模块，通过232通信模块与微处理机进行数据交 互，不需要额外接线电路。触摸屏使用厂家提供的开发工具进行开发。本实验实例采用北 京迪文的串口指令屏以及厂家提供的HMI串口触控界面软件。
[0026] 所述远程分合闸控制模块工作电压为220V交直流，通过整流器及稳压管，再经过 光耦将信号接到微处理器。
[0027] 如图2所示，其中的驱动模块包括用于储能的合闸电容C1和分闸电容C2。其中 合闸电容 C1与合闸感应电流IGBT开关A、合闸线圈L1以及合闸IGBT开关B构成一个驱 动合闸线圈L1的回路。合闸电容C1通过导通的合闸感应电流IGBT开关A和合闸IGBT开 关B,向合闸线圈L1释放能量,使得合闸线圈L1内有电流流过。除此之外，在合闸感应电流 IGBT开关A的发射极和合闸IGBT开关B的发射极之间反接第二二极管D2,在合闸感应电 流IGBT开关A的集电极和合闸IGBT开关B的集电极之间反接第一二极管D1。第一二极管 D1和第二二极管D2用于合闸线圈L1于电容C1断开后后泄放其自身的电流续流。
[0028] 分闸电容C2与分闸感应电流IGBT开关C、分闸线圈L2以及分闸IGBT开关D构成 一个驱动分闸线圈L2的回路。分闸电容C2通过导通的分闸感应电流IGBT开关C和分闸 IGBT开关D，向分闸线圈L2释放能量，使得分闸线圈L2内有电流流过。除此之外，在分闸 感应电流IGBT开关C的发射极和分闸IGBT开关D的发射极之间反接第四二极管D4,在分 闸感应电流IGBT开关C的集电极和分闸IGBT开关D的集电极之间反接第三二极管D3。第 三二极管D3和第四二极管D4用于分闸线圈L2于电容C2断开后泄放其自身的电流续流。
[0029] 初始状态下，合闸感应电流IGBT开关A、合闸IGBT开关B、分闸感应电流IGBT开 关C和分闸IGBT开关D都处于关断状态，此时合闸线圈L1和分闸线圈L2内都没有电流。
[0030] 合闸时，PWM控制模块发出合闸指令，合闸感应电流IGBT开关A和合闸IGBT开关 B导通，而分闸感应电流IGBT开关C和分闸IGBT开关D保持关断，此时合闸电容C1通过合 闸感应电流IGBT开关A和合闸IGBT开关B，向合闸线圈L1放电。当PWM控制模块检测到 合闸动作完成后，其发出信号让合闸感应电流IGBT开关A和合闸IGBT开关B关断，此时合 闸线圈L1自身的续流电流则通过第一二极管D1和第二二极管D2续流，给合闸电容C1充 电直至电流为零。
[0031] 合闸动作完成后，实际上各个IGBT开关又重新回到初始的关断状态。
[0032] 如图3所示，静铁心1为机构提供磁路通道。动铁心2是整个机构中最主要的运 动部件。第一永久磁体3和第二永久磁体4为机构提供保持时所需要的磁吸力。合闸线圈 L1和分闸线圈L2在外加电流后改变机构内磁通的分布，使得驱动杆7发生移动，实现合闸 和分闸。虚线箭头所示为分闸线圈L2放电时所产生的分闸磁场方向，实线箭头所示为合闸 线圈L1放电时所产生的合闸磁场方向。例如在合闸时，合闸线圈L1通电，产生了如实线箭 头所示的合闸磁场方向，根据楞次定律，此时分闸线圈L2由于互感作用会产生一个感应磁 场以阻碍磁力线的增加。分闸线圈L2的感应磁场方向恰好与分闸磁场方向相同。
[0033] 在上述合闸过程中，分闸感应电流开关C 一直关断，则分闸电容C2的电压就作为 反压加在分闸线圈两端，所以尽管有感应电压，但是小于C2的电压，则感应电流无法导通。 合闸时分闸感应电流开关A-直关断起到同样的效果。通过控制各个IGBT导通与关断，实 现操动机构动作，完成续流反向充电，去除感应电流影响。
[0034] 分闸时，PWM控制模块发出分闸信号，让分闸感应电流IGBT开关C和分闸IGBT开 关D导通，而合闸感应电流IGBT开关A和合闸IGBT开关B保持关断状态，此时分闸电容C2 开始通过分闸感应电流IGBT开关C和分闸IGBT开关D导通向分闸线圈L2放电。当PWM 控制模块检测到分闸动作完成后，其发出信号让分闸感应电流IGBT开关C和分闸IGBT开 关D关断，此时分闸线圈L2自身的续流则通过第三二极管D3和第四二极管D4续流，给分 闸电容C2充电直至电流为零。分闸动作完成后，实际上各个IGBT开关又重新回到初始的 关断状态。
【权利要求】
1. 一种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在于，包括微处理器模 块、电源模块、信号米集和处理模块、人机交互模块、驱动模块、PWM控制模块、远程分合闸控 制模块、通信模块、外部存储模块，所述人机交互模块通过通信模块与微处理器模块连接， 所述驱动模块通过PWM控制模块与微处理器模块连接，所述远程分合闸控制模块直接与微 处理器模块连接，电源模块为各个模块供电，所述驱动模块设有两个与分闸线圈串联的开 关管，还设有两个与合闸线圈串联的开关管，同时分闸线圈和合闸线圈还分别与两个二极 管组成泄放回路。
2. 根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在 于，所述开关管为IGBT管。
3. 根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在 于，所述通信模块包括：485通信模块、232通信模块。
4. 根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在 于，所述远程分合闸控制模块工作电压为220V交直流，通过整流桥及稳压管，再经过光耦 将信号接到微处理器。
5. 根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在 于，所述信号采集模块包括：电容电压传感器、线圈放电电流传感器、断路器分合闸状态传 感器、母线三相电压电流传感器、操动机构动铁心位移传感器。
6. 根据权利要求1所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制装置，其特征在 于，所述远程分合闸控制模块工作电压为220V交直流，通过整流桥及稳压管，再经过光耦 将信号接到微处理器。
7. -种双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制方法，其特征在于，当分闸线圈或合 闸线圈两侧的开关管被PWM控制模块关断时，利用续流二极管使动作线圈放电续流对相应 放电电容充电，同时非放电电容电压作为反压抵消互感所形成的感应电压。
8. 根据权利要求7所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制方法，其特征在 于，所述PWM控制模块在线圈放电过程中，通过控制不同时间PWM斩波占空比，实现对放电 电流及感应电流大小的实时控制来调节操动机构动铁心速度。
9. 根据权利要求7所述的双稳态永磁真空断路器快速分合闸的控制方法，其特征在 于，合闸时，改变开关管B导通占空比控制放电电流，改变开关管C导通占空比控制感应电 流大小，分闸时，改变开关管D导通占空比控制放电电流，改变开关管A导通占空比控制感 应电流大小。
【文档编号】H01H33/666GK104157509SQ201410366377
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】房淑华, 柳庆东, 黄允凯, 陈亚彬, 徐喆明, 林鹤云 申请人:东南大学