CN101226859B - 真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法 - Google Patents

Abstract

真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法，在合闸过程中，分闸线圈反向通电，抵消部分永磁保持力，降低合闸动作电流，同时调节合闸线圈的电流，在保证刚合速度的前提下，降低铁芯动能和碰撞速度；分闸过程中，分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电或分闸线圈正向通电，合闸线圈正向通电，通过线圈电流测量模块对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央控制模块，中央处理模块计算当前线圈的中的电流变化率，并以计算结果为依据调整线圈分闸线圈中的电流值；本发明通过对永磁机构分、合闸线圈的电压、电流的采样反馈，从而调整线圈中的电流幅度，使永磁机构的动作特性与断路器的反力特性达到理想配合。

Description

真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法

技术领域

本发明属于电子应用领域，具体涉及一种真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法。

背景技术

双稳态永磁机构是针对真空断路器设计的一种新型操动机构，因其高可靠性及分、合闸时间分散性小而受到广泛关注，并且大量应用于中压领域。其主要动作特征为：当分闸或合闸信号发出后，电源给分闸线圈或合闸线圈供电，由线圈产生的电磁力克服反力和永磁保持力，带动铁芯进而驱动断路器触头完成分、合闸操作。当动作完成后，由永磁体提供保持力，使触头处于闭合或者关断的状态。

永磁机构的工作状态可以分为合闸、分闸和保持。在合闸操作过程中，需要给线圈通上足够的电流提供电磁力，克服永磁体的保持力，驱动铁芯动作。如果将现有双稳态永磁机构用于更高电压等级的断路器，因为行程的增大，磁阻增大，需要更大的驱动电流满足断路器的速度特性要求，现有电容供电方式，无法提供如此大的电流，从而限制了永磁机构在高电压等级断路器上的应用。另外分闸过程与合闸过程不同，由于断路器反力和超程的存在，会造成启动电流不够，铁芯驱动力突变的问题，使速度特性曲线呈现马鞍型，影响刚分速度。如果突变严重，还有分闸失败的可能性。分、合闸过程中存在的另一个重要问题是动作时间过长。高电压等级的断路器要求更快的动作速度，在安匝数一定的条件下，为了适当降低电流，只能增大匝数，线圈匝数越多，电感越大，电流上升到动作要求电流的时间也会越长，导致动作时间过长，将会导致分、合闸时间分散性增大，无法满足同步关合的要求。

现有的机构设计，一般关注于结构的合理性，使永磁机构的特性与真空断路器的特性良好配合，但依照传统的单线圈控制策略显然无法克服电流过大，动作时间过长，刚分速度不够的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高永磁机构运动行程，优化刚分、刚合速度；减少闭合过程中，触头弹跳；降低工作电流及动作时间的真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：1)首先，当合闸信号发出后，合闸线圈正向通电、分闸线圈反向通电，通过线圈电流测量模块对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央控制模块，中央处理模块计算当前线圈的中的电流变化率，并以计算结果为依据调整线圈合闸线圈中的电流值；2)当合闸线圈中的电流达到设定值值，关断分闸线圈，同时改变分闸线圈的电流方向，保证下一次分闸操作的正常；3)根据位置开关判断是否合闸到位，若合闸到位，切断合闸线圈的电流，同时改变合闸线圈的电流方向；4)分闸的过程：A分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电或B分闸线圈正向通电，合闸线圈正向通电，通过线圈电流测量模块对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央控制模块，中央处理模块计算当前线圈的中的电流变化率，并以计算结果为依据调整线圈分闸线圈中的电流值；对于方案A，当分闸线圈中的电流达到设定值值，关断合闸线圈，同时改变合闸线圈的电流方向，保证下一次合闸操作的正常；对于方案B，当分闸线圈中的电流达到设定值值，关断合闸线圈，但不改变改变合闸线圈的电流方向；根据位置开关判断是否分闸到位，若分闸到位，切断分闸线圈的电流，同时改变分闸线圈的电流方向。

当合闸信号发出后，合闸线圈正向通电、分闸线圈反向通电(正向和反向都是相对于分、合闸线圈在正常工作时电流的方向，例如分闸线圈在分闸操作时，通顺时针的电流，则顺时针方向为正方向，逆时针为反方向。合闸线圈与分闸线圈类似。主线圈和辅助线圈的定义为，分闸操作时分闸线圈为主线圈，合闸线圈为辅助线圈，合闸操作的定义类似)，对分、合闸线圈的电压、电流采样，反馈给中央控制模块，不断调整线圈中的电流值，当分闸线圈中的电流达到特征值，关断分闸线圈，同时改变分闸线圈的电流方向，保证下一次分闸操作的正常。根据位置开关判断，是否合闸到位。一旦到位，切断合闸线圈的电流，同时改变合闸线圈的电流方向。分闸的过程有两种控制方案，第一种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电，同时需要在完成操作后改变电流方向；第二种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈正向通电，但合闸线圈在完成操作后不需要改变电流方向。其余步骤与合闸过程类似。

通过对永磁机构分、合闸线圈的电压、电流的采样反馈，计算当前线圈的中的电流变化率，不断调整线圈中的电流幅度。使永磁机构的动作特性与断路器的反力特性达到理想配合。

在合闸过程中，分闸线圈反向通电，抵消部分永磁保持力，降低合闸动作电流，同时不断调节合闸线圈的电流，在保证刚合速度的前提，降低铁芯动能和碰撞速度以减少或者消除操动机构在闭合瞬间产生的振动、弹跳，提高断路器的电寿命。

在分闸操作有两种不同的方案。第一种方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电，分、合闸线圈所加的电压不同，电流也就不同，这样一方面保证了断路器所要求的刚分速度，另一方面由于抵消了永磁力，避免了由于超程的存在而导致的力特性的突变，避免了铁芯速度特性曲线呈现马鞍型。第二种方案，分、合闸线圈都正向通电，分、合闸线圈所加的电压不同，通电时间也不同，这样由于提高了合闸位置的保持力，相应的提高了分闸启动电流，也可以实现提高刚分速度的目的。

由于双线圈供电的设计，动作过程中两个线圈相互配合作用，所需分、合闸线圈的匝数减小。线圈匝数减少，电感降低，线圈电流上升速率加大，电流达到工作电流所需时间减少，进而减少分、合闸动作总时间。

附图说明

图1是本发明的控制电路框图；

图2是本发明控制电容监测模块4和充电模块3的电路图；

图3是本发明驱动模块12、14的电路图；

图4是本发明电流切换模块16-继电器控制方式电路图；

图5是本发明电流切换模块16-H桥控制方式电路图；

图6是本发明线圈电流测量模块23的电路图；

图7是本发明位移-时间曲线；

图8是本发明线圈电流-时间曲线；

图9是本发明永磁力-行程曲线；

图10是本发明线圈电流变化曲线；

图11是本发明PWM电压调节模式。

具体实施方式

具下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括与交流电源1相连接的整流滤波模块2，该整流滤波模块2的输出端与充电模块3的电流输入端相连接，充电模块3的输出端与控制电容5的输入端相连接，控制电容5的电压反馈端与控制电容检测模块4的输入端相连接，电容检测模块4的信号输出端与充电模块3的信号输入端相连，电容检测模块4的另一输出端与用于监控控制电容检测模块4状态的中央处理模块9的信号输入端相连，控制电容5的电流输出端通过功率开关管13、15及电流切换模块16与分闸线圈19和合闸线圈20相连接，分闸线圈19和合闸线圈20的电流反馈信号通过线圈电流测量模块23提供给中央处理模块9，中央处理模块9通过驱动模块12、14与功率开关管13、15相连接，用于调节功率开关管13、15的PWM占空比，中央处理模块9还与为其提供电源的控制电源6相连，用于输入分、合闸操作信号的开关量7经过光电隔离8输入到中央处理模块9，中央处理模块9的输入端还与用于断路器智能操作的温度传感器10相连接，中央处理模块9的输入端还与用于判断分、合闸操作是否到位的位置开关11相连接。其中温度传感器10测量环境温度，线圈电流测量模块23测量分、合闸线圈电流和电压，位置开关11用于确定分、合闸是否到位；驱动模块12、14输出PWM波控制功率开关管13、15调节线圈电流，电流切换模块16用于切换线圈电流方向，实现双线圈供电的控制策略。

合闸操作，合闸过程一方面要保证刚合速度，另一方面速度又不能太快，同时为了适应大行程的断路器动作电流也不能过大。如图9所示，永磁力和行程的关系是确定的，所以如果能够在合闸的过程中适当的减小永磁力，将有助于合闸。如图10、11所示，在合闸信号发出后，控制合闸线圈20的功率开关管13导通，合闸线圈20通电，合闸过程开始。与此同时，控制分闸线圈19的功率开关管15也导通，分闸线圈19通过一个与其工作电流方向相反的电流，用于抵消一部分永磁力。到时间T1，改变控制分闸线圈19的功率开关管15的通断频率，进而改变分闸线圈19的电流，功率开关管15的通断的频率可根据图9事先确定。当到达Te时间，关断控制分闸线圈19的功率开关管15，停止供电。采用此种方法供电，因为有分闸线圈19的参与，降低了永磁保持力，不需要巨大的启动电流，同时也意味着合闸线圈20匝数可以减少，激励时间也就可以减少。而且由于启动电流的减小，动铁芯运动的速度也会相应减小，降低碰撞速度。

根据实验以及仿真计算的结果，分合闸时间与电容电压以及环境温度有确定的规律，所以需要针对不同电压和不同温度条件下给出不同的控制信号占空比，将此数据存入控制模块的闪存(Flash)中。当分闸或者合闸信号发出后，首先检测控制线圈的电容电压和环境温度，然后通过查找Flash中的数据表，确定控制信号的占空比。根据确定的占空比通过功率开关管控制分、合闸线圈工作，通过电流传感器检测线圈电流的大小确定通断的频率和时间。如图10，当主线圈的电流达到a开始下降时，控制辅助线圈的开关管频率变化，与此同时定时器开始工作，每隔一段时间改变一次控制辅助线圈的开关管的频率，此频率根据图9事先计算出来，存入Flash。当时间到达Te时，切断辅助线圈的电流，同时改变线圈电流方向。继续检测主线圈的电流大小，当电流达到b开始增大时，检测位置信号。如果已到达分、合闸位置，切断主线圈电流，变化线圈电流方向，分、合闸完成。分闸操作所存在的问题与合闸操作的不同。由于超程的存在，断路器的反力将抵消到很大一部分永磁保持力，这就造成了启动电流需要克服的保持力不够的问题。当动铁芯过了超程，由于失去了断路器的反力，永磁力又没有减小，将会有一个反向的力加到动铁芯上，严重影响刚分速度。解决这个问题有两个思路，一是暂时加大合闸保持力，提高启动电流，进而提高电磁力，提高刚分速度；二是抵消掉部分永磁力，这样相同的电流，铁芯的速度更快，而且不会发生过了超程，速度特性出现马鞍形的问题。对应于这两种思路，提出两种控制方案。第一种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电，控制过程与合闸过程类似；第二种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈也正向通电，控制过程与合闸过程类似。需要改变的是辅助线圈的通电时间T1和Te。

当合闸信号发出后，合闸线圈20正向通电、分闸线圈19反向通电(正向和反向都是相对于分、合闸线圈在正常工作时电流的方向，例如分闸线圈在分闸操作时，通顺时针的电流，则顺时针方向为正方向，逆时针为反方向。合闸线圈与分闸线圈类似。主线圈和辅助线圈的定义为，分闸操作时分闸线圈为主线圈，合闸线圈为辅助线圈，合闸操作的定义类似)，对分、合闸线圈的电压、电流采样，反馈给中央控制模块9，不断调整线圈中的电流值，当分闸线圈19中的电流达到特征值，关断分闸线圈19，同时改变分闸线圈19的电流方向，保证下一次分闸操作的正常。根据位置开关11判断，是否合闸到位。一旦到位，切断合闸线圈20的电流，同时改变合闸线圈20的电流方向。分闸的过程有两种控制方案，第一种控制方案，分闸线圈19正向通电，合闸线圈20反向通电；第二种控制方案，分闸线圈19正向通电，合闸线圈20正向通电。其余步骤与合闸过程类似。

参见图2，本发明的交流电源1输入到变压器T的初级，变压器T的次级连接到整流滤波模块2的电桥的1，3输入端，整流滤波模块2的电桥的2端通过限流电阻R1连接到充电模块3的晶闸管BT151的1端，晶闸管BT151的2端连接到控制电容C1的1端，控制电容C1的输入端2连接到电桥的输出端3。控制电容C1上的电压通过采样电阻R2，R3提供给控制电容检测模块4的比较器CJ339A的5端，比较器CJ339A的4端与9V电源相连，比较器CJ339A的2端通过电阻R5输出给控制电容检测模块CJ339B的8端，比较器CJ339B的9端经过分压电阻R6，R7与9V电源相连，控制电容C1还通过采样电阻R2，R3与电压比较器CJ339C的7端，电压比较器CJ339C的6端连接到一个经过电阻R9，R10分压的9V电源上，电压比较器CJ339C的1端输出给光耦4N25A的2端，光耦4N25A的4端送一个信号给中央处理模块9的I/O端口92，用于控制电容C1的故障报警。交流电通过变压器调压后输入半波整流电路，然后提供给控制电容。通过采样电阻R1和R2，取得电容两端的电压，输送到由两个比较器CJ339A和CJ339B组成的反馈电路，当电容电压低于某一设定值时，导通晶闸管BT151，自动给电容充电。采样电阻取得的电压经过比较器CJ339C转化为一个电平信号经过光偶输给主控部分，用于电容故障时的报警。采样电压还通过LM358输入主控部分的A/D中用于检测分、合闸时的电压。

参见图3，本中央处理模块9的PWM端口45连接到光耦4N25B的2端口，光耦4N25B的3端连接到驱动模块12的第一三极管T1的B端，第一三极管T1的C端与第二三极管T2，第三三极管T3的B端相连，第二三极管T2的C端与12V电源相连，第三三极管T3的C端连接到模拟地，第一三极管T1，第三三极管T3的E端与功率开关管IGBT1的1端相连，功率开关管IGBT1的3端与控制电容的C1的1端相连。

中央控制模块9接受开关量信号和传感器采集的信号量，根据Flash中的数据表格和算法输出控制线圈的PWM波，驱动外部电路。为了满足运算速度和高可靠性，选择工控上常用的TI公司的2000系列DSP，中央控制模块9输出PWM波，经过光偶隔离驱动三极管，然后经过推挽电路的进一步提高驱动能力，控制IGBT的通断。在IGBT的集电极和发射极两端加TVS管，用于保护IGBT。

参见图4，本发明的功率开关管IGBT1的2端与电流切换模块16的继电器RELAY的7端相连，继电器RELAY的8端与模拟地相连，继电器RELAY的9，12端口与线圈COIL的1端相连，继电器RELAY的10，11端口与线圈COIL的2端连接，中央处理模块9的PWM端口46与光耦4N25C的2端相连，光耦4N25C的3端与电流切换模块16的继电器RELAY的6端相连，光耦4N25C的4端与模拟地相连。

电流切换模块是实现双线圈供电、变电流控制的关键步骤。本发明给出两种电流切换电路，一种采用继电器的变换方式，另一种采用IGBT构成H桥的方式。两种方式各有好处，可以根据成本和实际应用而加以选择。中央处理模块9发出切换命令，经过光偶得隔离控制继电器线圈，进一步控制线圈的电流输入方向。为了避免继电器操作的分散性，需要在控制策略和操作时间上加以考虑。具体来说就是，当驻线圈和辅助线圈完成工作完成后，即刻改变继电器状态。此种方法的好处是，***的电路简单，便于实现，缺点是不便于实现更复杂的控制策略。

参见图5，本发明的功率开关管IGBT1的2端和功率开关管IGBT3的3端、线圈COIL的1端相连，功率开关管IGBT2的2端和IGBT4的3端、线圈COIL的2端相连，功率开关管IGBT的1端分别与中央处理模块9的I/O93，94，95，98端口相连。

中央处理模块9通过控制4个IGBT的通断来实现，线圈电流方向的切换。例如，需要电流方向为1点到2点，INPUTA和INPUTD输入信号，导通相应的IGBT，另外两个IGBT处于关断状态，于是电流就实现了从1点到2点。如果需要从2点到1点，则导通另外一对IGBT。此种方法的优点是，控制灵活，不存在分散性的问题。缺点是所需的***驱动电路复杂，控制复杂。

参见图6，本发明的线圈COIL的1，2端分别连接到电流互感器CT的4，3端，电流互感器CT的1，2端接入放大器LM358的2，3端，其一端输入到中央处理模块9的A/D174端口，用于线圈电流的测量。

当需要分闸操作时，我们称分闸线圈为主线圈而称合闸线圈为辅助线圈，如果合闸操作则相反。考虑分闸的情况，分闸线圈提供的电磁力需要克服永磁体的保持力，而带动铁芯运动。而另一方面，不能过分减少保持力，否则就会因为启动电流的减少，造成刚分速度不够的问题。合闸也有同样的问题。所以说合理选择控制辅助线圈的PWM波的占空比很重要。

实现线圈的变电流控制，需要改变控制IGBT的PWM波的占空比，但选择改变占空比的时机很重要。铁芯开始运动前，线圈电流达到最高值，随着铁芯的运动，电流又开始下降，同时根据图1可知，当静铁芯和动铁芯出现气隙后，永磁力迅速下降，需要根据永磁力的改变，来变换控制辅助线圈的PWM波的占空比。本发明提出根据主线圈电流变化规律，来判断改变PWM波占空比的时机的方法。如图2，通过电流传感器检测主线圈电流，当电流到达a点开始下降时，改变占空比。分闸过程由于超程的存在，占空比改变时间推迟Δt。然后通过定时器，每个一段时间，改变一次占空比，改变一定次数后，关断辅助线圈。当主线圈电流到达c点电流又开始上升，此时需要判断位置开关信号，如果分、合闸到位，则切断主线圈电流。

如果采用继电器控制线圈电流方向的方案，继电器改变的时机必须考虑。因为继电器的分散性，如果不加以考虑，由于开、断时间极短，本方案就不可能实现。解决这个问题的一个方法是，当辅助线圈电流被切断后，即刻改变继电器的状态。同样的当主线圈的电流被切断后，也即刻改变继电器状态。

本发明的控制方法如下：

试验表明线圈激励时间占断路器分、合闸的总时间的大部分，所以有效减小激励时间是降低分、合闸时间的有效途径。减小激励时间有两个途径：1减少激励线圈匝数。当永磁机构其它参数确定后，线圈匝数越少，电阻、电感越小，电流上升的陡度也就越大，上升到相同启动电流的时间也就越短；2降低启动电流。如果要降低启动电流，也就意味着需要降低在分、合闸位置的保持力，启动电流也就可以随之降低。

上述两种方法都有其优缺点。方法1，动作时间虽然减小，但是由于线圈匝数减少，电阻降低，启动电流增大，这对设计大行程永磁机构是不利的，因为大行程永磁机构所需保持力巨大，相应的启动电流也就很大，控制电路无法承受，而且由于过大的启动电流，会造成刚合速度过快的问题，加重断路器闭合时触头的弹跳。方法2，动作时间减小，启动电流降低，但是对于分闸操作，由于断路器触头超程的存在，电磁力分闸时所需克服的保持力为永磁体提供的力减去触头弹簧的反力，造成保持力较小，启动电流不足，速度不够的问题。

分闸操作所存在的问题与合闸操作的不同。由于超程的存在，断路器的反力将抵消到很大一部分永磁保持力，这就造成了启动电流需要克服的保持力不够的问题。当动铁芯过了超程，由于失去了断路器的反力，永磁力又没有减小，将会有一个反向的力加到动铁芯上，严重影响刚分速度。解决这个问题有两个思路，一是暂时加大合闸保持力，提高启动电流，进而提高电磁力，提高刚分速度；二是抵消掉部分永磁力，这样相同的电流，铁芯的速度更快，而且不会发生过了超程，速度特性出现马鞍形的问题。对应于这两种思路，提出两种控制方案。第一种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈反向通电，控制过程与合闸过程类似；第二种控制方案，分闸线圈正向通电，合闸线圈也正向通电，控制过程与合闸过程类似。需要改变的是辅助线圈的通电时间T1和Te。

Claims (2)

1.真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法，其特征在于：

1)首先，当合闸信号发出后，合闸线圈(20)正向通电、分闸线圈(19)反向通电，通过线圈电流测量模块(23)对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央处理模块(9)，中央处理模块(9)计算当前线圈中的电流变化率，并以计算结果为依据调整合闸线圈(20)中的电流值；

2)当合闸线圈(20)中的电流达到设定值，切断分闸线圈(19)的电流，同时改变分闸线圈(19)的电流方向，保证下一次分闸操作的正常；

3)根据位置开关(11)判断是否合闸到位，若合闸到位，切断合闸线圈(20)的电流，同时改变合闸线圈(20)的电流方向；

4)分闸的过程：

分闸线圈(19)正向通电，合闸线圈(20)反向通电，通过线圈电流测量模块(23)对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央处理模块(9)，中央处理模块(9)计算当前线圈中的电流变化率，并以计算结果为依据调整分闸线圈(19)中的电流值；当分闸线圈(19)中的电流达到设定值，切断合闸线圈(20)的电流，同时改变合闸线圈(20)的电流方向，保证下一次合闸操作的正常；根据位置开关(11)判断是否分闸到位，若分闸到位，切断分闸线圈(19)的电流，同时改变分闸线圈(19)的电流方向。

2.真空断路器永磁机构双线圈变电流控制方法，其特征在于：

1)首先，当合闸信号发出后，合闸线圈(20)正向通电、分闸线圈(19)反向通电，通过线圈电流测量模块(23)对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央处理模块(9)，中央处理模块(9)计算当前线圈中的电流变化率，并以计算结果为依据调整合闸线圈(20)中的电流值；

2)当合闸线圈(20)中的电流达到设定值，切断分闸线圈(19)的电流，同时改变分闸线圈(19)的电流方向，保证下一次分闸操作的正常；

3)根据位置开关(11)判断是否合闸到位，若合闸到位，切断合闸线圈(20)的电流，同时改变合闸线圈(20)的电流方向；

4)分闸的过程：

分闸线圈(19)正向通电，合闸线圈(20)正向通电，通过线圈电流测量模块(23)对分、合闸线圈的电压、电流进行采样，并将采集到的数据反馈给中央处理模块(9)，中央处理模块(9)计算当前线圈中的电流变化率，并以计算结果为依据调整分闸线圈(19)中的电流值；当分闸线圈(19)中的电流达到设定值，切断合闸线圈(20)的电流，但不改变改变合闸线圈(20)的电流方向；根据位置开关(11)判断是否分闸到位，若分闸到位，切断分闸线圈(19)的电流，同时改变分闸线圈(19)的电流方向。

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