CN110912496B - 一种断路器储能电机的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种断路器储能电机的控制方法及装置,属于直流电机技术领域。控制方法包括:储能过程中,实时获取储能电机的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;当储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,控制储能电机降功率运行,以保证储能电机正常运行;功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定。本发明通过监测储能电机在储能过程中的工作电流和电压,在储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,也就是在储能电机功率越限时,降低储能电机的运行功率,保证开关电源能够独立驱动储能电机运行,实现了储能电机运行功率的调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器储能电机的控制方法及装置,属于直流电机技术领域。
背景技术
随着电能应用越来越广泛,目前断路器在配网中发挥着不可或缺的作用,其电动分合特性使配电自动化成为可能。弹操型断路器依赖电机操动机构对弹簧进行储能,从而进行连续的分合闸操作,一旦无法完成储能,将会破坏断路器电动分合闸的连续性,影响配网自动化。传统的操动机构都只按照预定的一种分合闸方式设计,动作过程不可控。因此,有人提出对操动机构可控的控制方法,例如:授权公告号为CN 107622927 B的中国发明专利文件,该专利文件公开了一种高压断路器电机操动机构控制***和控制方法方法将对电机的控制分成三个阶段,包括起动阶段、恒速阶段和缓冲阶段,在不同阶段通过修改位移给定曲线模型的方式实现分段控制,提高断路器的分、合闸能力。
然而断路器在储能电机拉开弹簧的过程(即储能过程)中,50W储能电机的峰值功率会达到100W甚至150W,这对开关电源的瞬时输出能力有很高的要求,因此,在开关电源功率一定的情况下,需要为开关电源配置电容或者蓄电池,以满足储能过程中的负载要求。
即使在这种情况下,可能(在不同厂家的电源和断路器相互配合时可能性更大)也会导致开关电源无法驱动储能电机以完成储能过程。另外,若在弹簧拉伸末期断电,则下次上电时面临着开机需驱动最大负载的情况,此时储能电机负载又大、又要给电容充电,开关电源以及储能电机很容易出现无法启动的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种断路器储能电机的控制方法,用以解决开关电源无法驱动储能电机完成储能过程的问题;同时还提供一种断路器储能电机的控制装置,用以解决开关电源无法驱动储能电机完成储能过程的问题。
为实现上述目的,本发明提出一种断路器储能电机的控制方法,包括以下步骤:
储能过程中,实时获取储能电机的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;
当储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,触发功率保护,控制储能电机降功率运行,以保证储能电机正常运行;所述功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定。
有益效果是:本发明通过监测储能电机在储能过程中的工作电流和电压,在储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,也就是在储能电机功率越限时,降低储能电机的运行功率。可以保证在电容储存的电能不足以支持到储能结束的情况下,开关电源也可以独立驱动储能电机运行,同时还可以给电容预留足够的时间进行充电,或者在蓄电池损坏的情况下,开关电源能够独立驱动储能电机运行,实现了储能电机运行功率的调控。
进一步的,为了实现储能电机降功率运行,通过降低储能电机的工作电流实现储能电机降低功率运行。
进一步的,为了提高功率调节的可靠性,在储能电机的储能回路中串入开关管,通过减小开关管的PWM占空比降低储能电机的工作电流。
进一步的,为了避免功率降低过快,减小PWM占空比的过程为:PWM占空比逐渐减小,每次触发功率保护时减小占空比设定值,直至储能电机可以正常运行。
进一步的,为了实现PWM占空比的可追溯性,每次减小占空比设定值时,还包括记录PWM占空比的步骤。
进一步的,为了避免储能电机无法启动,储能电机启动时,在设定时间内,控制储能电机的运行功率从零逐渐增加至功率设定值,以保证储能电机正常启动。
另外,本发明还提出一种断路器储能电机的控制装置,包括:
电压采集电路,用于采集储能电机的工作电压;
电流采集电路,用于采集储能电机的工作电流;
驱动电路,用于驱动储能电机运行;
控制器,控制器包括存储器和处理器,所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法:
储能过程中,实时获取储能电机的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;
当储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,触发功率保护,控制储能电机降功率运行,以保证储能电机正常运行;所述功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定。
有益效果:该装置通过监测储能电机在储能过程中的工作电流和电压,在储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,也就是在储能电机功率越限时,降低储能电机的运行功率。可以保证在电容储存的电能不足以支持到储能结束的情况下,开关电源也可以独立驱动储能电机运行,同时还可以给电容预留足够的时间进行充电,或者在蓄电池损坏的情况下,开关电源能够独立驱动储能电机运行,实现了储能电机运行功率的调控。
进一步的,为了实现储能电机降功率运行,并提高功率调节的可靠性,驱动电路包括储能回路,储能回路中串联有开关管,通过减小开关管的PWM占空比降低储能电机的工作电流,以实现储能电机降低功率运行。
进一步的,为了避免功率降低过快,该控制装置还包括用于连接上位机的串口电路,通过串口电路设置功率设定高值以及占空比设定值,减小PWM占空比的过程为:PWM占空比逐渐减小,每次触发功率保护时减小占空比设定值,直至储能电机可以正常运行。
进一步的,为了实现电流的采集,所述电流采集电路包括采样电阻,采样电阻串联在储能回路中,通过采样电阻的电压和电阻得到储能电机的工作电流。
附图说明
图1是本发明断路器储能电机的控制装置的内部原理以及外部接线定义图;
图2是本发明电压采样电路和电流采样电路的电路原理图;
图3是本发明断路器储能电机的控制装置连接断路器时断路器内部接线与原断路器内部接线的对比图;
图4是本发明触点检测电路原理图;
图5是现有技术中储能电机储能过程中的电流曲线图;
图6是本发明控制方法的流程图。
具体实施方式
断路器储能电机的控制装置实施例:
本实施例提出的断路器储能电机的控制装置,包括电压采集电路、电流采集电路、控制器、以及驱动电路。电压采集电路用于采集储能电机的工作电压;电流采集电路用于采集储能电机的工作电流;驱动电路用于驱动储能电机运行;控制器包括存储器和处理器,处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现断路器储能电机的控制方法。
断路器储能电机的控制装置具体如图1、2所示,控制器为单片机ADC(即MCU);电压采集电路用于将24V供电分压后发送给单片机ADC(图2中未画出MCU)进行采样(24V转3.3V是用于给MCU供电),按比例还原后可得出储能电机的供电电压(即储能电机的工作电压);电流采集电路包括采样电阻R46(本实施例中,采用10毫欧锰铜丝电阻),采样电阻R46用于串联在储能回路中,储能回路中有电流经过时在采样电阻的两端产生电压,该电压经运放U5放大后可直接输入单片机ADC进行采样计算,依据I=U/R的比例关系可计算出实时电流(即储能电机的工作电流);驱动电路包括储能回路,储能回路中串联有开关电源和开关管,开关管具体为MOS管U11,MOS管U11的控制端连接单片机ADC的输出端,接收单片机ADC的控制信号后驱动储能电机运行;开关电源用于向储能电机提供所需的功率,当然开关电源也可以从外电路提供。
断路器储能电机的控制方法为:在储能过程中,单片机ADC接收储能电机(即电机)的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;当储能电机的电压突然降低或者储能电机实际运行功率大于功率设定高值时,触发功率保护,输出控制电机降功率运行的信号,通过降低储能电机的工作电流降低电机的运行功率,本实施例中,由于驱动电路中串联有MOS管U11,降低电流的手段为降低MOS管U11的PWM占空比(这里的PWM占空比为PWM驱动信号的占空比),进而降低储能电机的运行功率,控制电机降速。
上述功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定,一般情况下,功率设定高值小于等于开关电源的带载能力对应的功率。
储能电机的电压突然降低也即电压跌落的情况,此时为储能元件无法补偿足够能量,触发了开关电源输出保护。
作为其他实施方式,本发明对电压采集电路、电流采集电路以及驱动电路的具体实现形式并不做限制,只要可以实现相应的功能即可。同时,控制电机降功率运行的具体实现方式本发明也不做限制,也可以通过降低电压实现降功率运行,只要可以降低电机的运行功率即可。
本实施例中,为了避免功率降低过快,减小PWM占空比的过程为:PWM占空比逐渐减小,每次触发功率保护时减小占空比设定值,直至储能电机可以正常运行。作为其他实施方式,本发明对减小PWM占空比的过程并不做限制。而且也可以将开关管替换为其他调节电流的装置。
为了配合该操控机构与断路器的连接,控制断路器中的电机运行,该操控机构包括6个端子,为JP-1、JP-2、JP-3、JP-4、JP-5、JP-6,JP-1用于连接电机的电压采样点,采样电阻和MOS管U11通过JP-2和JP-3串联在储能回路中。同时断路器需要改变原来的内部接线关系,如图3所示,断路器原来的内部接线是电机M与触点CK串联,通过触点CK的打开与闭合控制储能回路的断开与接通,本发明中将电机M与触点CK并联,此时将MOS管U11串联在电机M的储能回路中,通过MOS管U11控制储能回路的断开与接通,进而控制电机的实际功率,而此时触点CK只是作为电机工作的辅助触点。该操控机构包括与单片机ADC连接的触点CK检测电路,CK-2通过JP-4连接触点CK检测电路,触点CK的状态作为该操控机构唤醒的前提,触点CK闭合,唤醒该操控机构,关于触点CK作用的详细介绍会在后续介绍。
为了查询或者设定单片机ADC内各参数,该操控机构预留一路485串口,上位机通过JP-5和JP-6连接485串口可查询或设置单片机ADC内需要设置的参数。所设置的参数是根据该操控机构的控制方法的需要而进行设定,因此参数可以根据需要进行修改。
为了降低该操控机构的功耗,该操控机构开机初始化后即进入休眠状态,只有在触点CK闭合或者串口接收到数据后,该操控机构被唤醒启动,触点CK检测电路如图4所示,当触点CK闭合后,CK-2电压由低电平变为高电平,控制三极管Q11导通,单片机ADC上电启动。
本实施例中,为了避免电机M启动时无法启动,电机M启动时,采用软启动模式,在设定时间内,该操控机构控制电机M的运行功率从零逐渐增加至功率设定值,以保证开关电源能够独立驱动电机M正常启动。具体功率逐渐增加的过程也是通过增加MOS管U11的PWM占空比实现的,当然在保证电机M可以启动的情况下,不使用软启动模式也是可以的。
以下以开关电源为150W/26V,某厂储能机构的电机额定功率40W,如图5所示,储能电机拉伸储能簧过程中的电流最大值约6A,相当于瞬时功率156W为例对本发明的控制方法进行说明,该控制装置的控制方法,具体如图6所示:
操控机构初始化进入休眠状态,符合2个唤醒条件时,即触点CK闭合或者串口接收到数据后,该操控机构退出休眠状态被唤醒启动;
当检测到触点CK闭合后,MOS管U11输出频率为5kHz的PWM信号,启动时加入设定时间为1s的软启动,使得PWM占空比在1s内由0增加至占空比设定高值(这里的设定高值为100%,以便于控制装置的自动调控功能),防止启动瞬间过载;
在启动时或者储能开始后,单片机ADC实时获取电机的工作电流和电压,根据电机的工作电流和电压得到电机的实际运行功率,以监测电机功率:当电压跌落或者电机的实际运行功率大于功率设定高值时,说明此时功率越限,单片机ADC自动关断MOS管停止输出并将PWM占空比减小5%,同时保存该占空比值并重启储能进程,电机降功率运行,若重启后再次出现功率越限,则单片机ADC自动重复上述操作直至可正常储能,直至电机正常工作(当占空比为80%时,电机200us(每个载波周期)内平均功率最大值由180W降至140W左右,可在开关电源驱动能力范围内运行);
当485串口接收到上位机的数据后,单片机ADC上电启动,处理收到的数据,若上位机对单片机ADC进行修改,则判断所接收的数据是否为已存储好的参数,若是,则响应上位机的召唤,若不是,则将已存储好的参数进行修改并保存;
储能完成,触点CK断开后,CK-2电压由高电平变为低电平,且串口连续5s未收到数据的情况下,操控机构关断MOS管输出并自动进入休眠状态。
以上单片机ADC中存储的参数(即设定的所有定值)有:启动设定时间、占空比在启动时间内的占空比设定高值值、功率设定高值、每次占空比减少的占空比设定值、未接收数据的持续时间等,当然这些定值都可以根据需要进行修改。
本实施例中,在电机启动时和储能过程中,单片机ADC持续监测电机的工作电流和电压,一般情况下,电机在软启动时的运行功率不会超出开关电源的功率,因此在储能过程中单片机ADC再监测电机的工作电流和电压也是可以的。
断路器储能电机的控制方法实施例:
本实施例提出的断路器储能电机的控制方法,包括以下步骤:
储能过程中,实时获取储能电机的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;
当储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,触发功率保护,控制储能电机降功率运行,以保证储能电机正常运行;功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定。
断路器储能电机的控制方法的具体实施过程在上述断路器储能电机的控制装置实施例中已经介绍,这里不做赘述。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下,采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改,并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同,这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的,这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种断路器储能电机的控制装置,其特征在于,包括:
电压采集电路,用于采集储能电机的工作电压;
电流采集电路,用于采集储能电机的工作电流;
驱动电路,用于驱动储能电机运行,包括储能回路,所述储能回路中包括MOS管,用于控制储能回路的断开与接通,进而控制电机的实际功率;其中,MOS管与储能电机串联;
操控机构包括6个端子,其中,第一端子用于连接电机的电压采样点,采样电阻和MOS管通过第二端子和第三端子串联在储能回路中,操控机构还包括与控制器连接的触点检测电路,触点(CK)的端子(CK-2)通过第四端子连接触点检测电路;
所述触点(CK)用于控制操控机构唤醒启动或休眠,当检测到触点(CK)闭合后,控制操控机构唤醒启动,控制器上电启动,MOS管输出PWM信号,启动AD采样并计算功率;储能完成,触点(CK)断开后,操控机构关断MOS管输出并自动进入休眠状态;其中触点(CK)与驱动电机并联;
控制器,控制器包括存储器和处理器,所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法:
储能过程中,实时获取储能电机的工作电流和电压,根据储能电机的工作电流和电压得到储能电机的实际运行功率;
当储能电机的电压突然降低或者储能电机的实际运行功率大于功率设定高值时,触发功率保护,控制器自动关断MOS管停止输出并减小PWM占空比,同时保存该占空比值并重启储能进程,电机降功率运行;若重启后再次出现功率越限,则自动重复上述操作直至电机正常工作,以保证储能电机正常运行;所述功率设定高值根据开关电源的带载能力进行设定;功率设定高值小于等于开关电源的带载能力对应的功率。
2.根据权利要求1所述的断路器储能电机的控制装置,其特征在于,该控制装置还包括用于连接上位机的串口电路,通过串口电路设置功率设定高值以及占空比设定值。
3.根据权利要求2所述的断路器储能电机的控制装置,其特征在于,所述电流采集电路包括采样电阻,采样电阻串联在储能回路中,通过采样电阻的电压和电阻得到储能电机的工作电流。
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