CN102931023A - 基于线圈电流的真空断路器控制方法及装置实现 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁真空断路器的控制方法和控制装置。该方法包括测量永磁机构的线圈电流，获取用于实时控制的参考电流曲线，以及滞环控制算法单元，其特征在于无需在断路器本体上增加任何部件，通过实时测量线圈的电流并与参考电流的对比，由滞环控制算法确定功率器件的实际触发信号，实现对线圈电流的实时闭环控制，从而使永磁真空断路器的分合闸时间保持一致，依据上述设计了相应装置实现，实际实验表明，上述控制方法有效减小了真空断路器的分合闸时间的分散性，使真空断路器分合闸动态误差范围保持在±0.3ms。

Description

基于线圈电流的真空断路器控制方法及装置实现

技术领域

本发明涉及真空断路器永磁操动机构的控制技术领域，特别是涉及一种基于永磁机构线圈电流曲线的真空断路器控制装置及控制方法。

背景技术

当前断路器的控制方法多为开环控制方法，即断路器在实际的分合闸操作过程中，接收控制装置发送的分合闸命令，触发相应的IO完成命令，如图1A所示。这种方法无法控制断路器的触头状态，在较高的操作电压且触头处于分闸位置执行分闸操作和触头处于合闸位置执行合闸操作的情况下，容易因通过线圈的电流过大而导致永磁机构的线圈烧毁。由于触头动作过程不受控，断路器的动作时间容易受储能电容器容量、操作电压及因工作温度等因素引起的电参数变化等影响，使断路器的动作时间出现较大的变化，不利于对断路器实现同步控制。在较高操作电压下实现分合闸操作会使铁心运动速度增大，从而使触头承受较大的冲击力，降低机构使用寿命，并可能使动触头发生多次弹跳，影响关合可靠性。在动触头速度较大时，造成的能量损失也较多，不利于断路器多次重合闸的实现。

当前断路器的另一种控制方法是基于断路器动触头位移曲线的闭环控制方法，如图1B所示。这种方法虽能够控制动触头的行程，但是，由于位移传感器在工作过程中其内部测量抽头处于运动状态，自身容易发生故障，测量次数有限。此外，位移传感器通常需要与动触头连杆直接连接，不易安装，也容易诱发电气故障。使用位移传感器的闭环控制方法因唯一传感器的这些缺点限制了其应用领域。

因此需要提供一种能够提高断路器工作一致性、工作稳定性和可靠性、延长断路器机械寿命有效的控制装置和控制方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于永磁机构线圈电流曲线的真空断路器控制方法及装置实现。

本发明提供一种永磁真空断路器的控制方法，该方法包括测量永磁机构的线圈电流，获取用于实时控制的参考电流曲线，以及滞环控制算法单元，

其特征在于无需在断路器本体上增加任何部件，通过实时测量线圈的电流并与参考电流的对比，由滞环控制算法确定功率器件的实际触发信号，实现对线圈电流的实时闭环控制，从而使永磁真空断路器的分合闸时间保持一致，

该方法进一步包括：

用于获取参考电流曲线的方法，

用于信号实时滤波的加窗四点中值滤波，

改进型的滞环控制算法单元。

优选地，该方法包括带矩形窗平移的四点中值滤波，用于对实时采样电流信号进行滤波，以满足实时控制算法对输入信号的要求。

优选地，应用改进型的滞环控制方法，计算实时电流值与参考电流值差值，并进一步转换成驱动功率器件的PWM信号，实现对线圈电流的跟踪控制。

优选地，线圈参考电流曲线的获取方法，该方法包含以下步骤：

A．确定用于获取参考曲线的电容值和电压值，对于同一型号的断路器，该步骤仅需执行一次，其中包含以下内容：

根据已知断路器型号的参数确定正常执行一次合闸或者分闸所需的最小储能电容器的容量值和初始电压；

在硬件条件允许的情况下，应用电容储能等量的原则，电容储能公式

尽量提高电容的电压并降低电容的容量，以减小分合闸整体时间的同时，限制分合闸的末速度，达到保护动触头的目的。反复实验以获取最佳的真空断路器位移曲线，确定用于获取该型号断路器参考电流曲线的电容值和电容初始电压值，此步骤用于优化参考曲线，在硬件条件不允许情况下，可以省略；

B．在所述型号的某一断路器投入使用前，利用A确定的电容值和电压值，分别进行一次分闸和合闸操作，由控制装置自身采样并记录本次操作的分合闸电流曲线作为该断路器正常分闸和合闸操作的参考曲线。

优选地，选取高于所确定的用于获取参考曲线的电容容量作为正常分合闸操作时的电容容量，以及选取高于用于获取参考曲线的电压值作为正常分合闸操作的电压值，以保证正常操作时的电容储能满足重合闸的需要。

本发明进一步提供一种永磁真空断路器的控制装置，该装置应用前述方法原理设计，其包括电容的充放电控制单元，IGBT功率输出单元，电流测量单元，以及控制核心单元,其中

该电容器充放电控制单元用于根据来自控制核心单元的充放电信号对控制装置的储能电容器充放电，

该IGBT功率输出单元用于根据来自控制核心单元的触发信号将储能电容器的放电电流输出至线圈，

该电流测量单元测量所述IGBT功率输出单元输出的线圈电流并反馈至控制核心单元，

该控制核心单元基于测量的线圈电流和参考电流的对比，利用改进型的滞环控制算法确定用于IGBT功率输出单元的触发信号，使永磁真空断路器的分合闸时间保持一致。

优选地，该控制核心单元进一步包括滤波单元，用于对来自所述电流测量单元的反馈电流进行带矩形窗平移的四点中值滤波。

优选地，该控制核心单元包括基于滞环控制单元，该滞环控制单元基于所述反馈信号与所述参考电流的偏差，依据滞环比较算法实现对IGBT功率输出单元的控制。

优选地，该控制装置包括进一步包括其电容值根据控制装置所控制的断路器永磁操动机构的参数值选择的储能电容器。

优选地，该控制装置进一步包括其正常应用的电容值不应小于用于获取参考线圈电流曲线的电容器电容值的储能电容器。

优选地，该控制装置进一步包括存储器，用于存储分别控制永磁操动机构各相线圈的各相参考线圈电流曲线，

电流测量单元分别测量IGBT功率输出单元输出的各相线圈电流输出，

该控制核心单元基于存储的各相参考电流和来自所述电流传感器的各相反馈信号，应用滞环算法计算IGBT的实际触发信号，以使所述IGBT功率输出单元输出的各相线圈电流分别与各相参考线圈电流曲线保持一致。

优选地，所述电流测量单元是霍尔电流传感器。

本发明基于永磁机构动态特性的控制方法，通过改进滞环比较算法，控制永磁机构线圈电流按参考电流曲线输出，使永磁真空断路器动触头行程处于受控状态，从而使断路器的每一次分合闸操作的时间保持为一定值。由于断路器每次的运动特性一致，可根据断路器的所选择的动态特性曲线，由测量得到的线圈电流曲线可以获知触头位移曲线并获知相应的触头行程，实现对断路器永磁操动机构触点的非接触静态测量。对断路器的测量可独立于断路器进行。这种测量及测量信号的反馈方式与现有技术相比，测量装置容易安装，测量稳定性好，且操作方便，显著改善了现有测量装置存在的不易安装且容易发生故障的缺陷。通过利用控制装置中的电流传感器感测控制装置输出的电流，使驱动线圈的电流全程受控，从而有效地避免了线圈烧毁的可能。通过选取恰当的线圈电流动态曲线，可以减小动触头到达极限位置所受的冲击力，保护动触头并减弱触头弹跳，进而提高机构动作的可靠性，延长机构使用寿命。采用根据本发明的控制装置和控制方法，可以有效减小因储能电容器电容容量及永磁操动机构的线圈电阻率等电气参量改变等对断路器工作参数的影响，使断路器的分合闸操作时间保持为一定值，使基于永磁机构的断路器的可以可靠地实现同步关合，并具有良好的一致性。此外，通过提升分合闸电压，并选取合适的电流控制曲线，可以减少分合闸时间，减少触头因碰撞造成的能量损失，达到节能的效果，使断路器在相同使用的条件下，能够完成更多次的重合闸操作，有效延长了断路器的使用寿命，同时提高了电力系统的稳定性。

附图说明

图1（a）和1（b）示意性示出现有技术的断路器永磁操动机构控制器的框图；

图2示意性示出断路器永磁操动机构的结构框图；

图3示意性示出开环状态下的永磁机构的合闸动态特性曲线。

图4示意性示出根据本发明断路器永磁操动机构控制装置的结构框图;

图5示出电流传感器测量得到的电流曲线；

图6示出滤波前后的电流曲线；

图7示意性示出根据本发明的确定参考线圈电流曲线的方法；

图8示意性示出根据本发明的断路器永磁操动机构的控制方法；

图9和图10分别示出根据本发明实例1的断路器开环动态曲线；

图11和图12分别示出根据本发明实例2的线圈电流曲线对比和位移曲线对比；

图13和图14分别示出实例3的线圈电流曲线对比和位移曲线对比；

图15和图16分别示出实例4的线圈电流曲线对比和位移曲线对比；

图17和图18分别示出实例5的断路器合闸位置和分闸位置的线圈电流曲线。

具体实施方式

下面将参照附图并结合本发明的优选实施例对本发明的方案进行详细的说明。应当理解，为使清晰和简明起见，本领域技术人员公知的永磁操动机构中一些部件的连接方式和工作原理在这里将不再赘述。

图2示意性示出单稳态永磁操动机构的结构框图。该永磁操动机构包括动铁心1，静铁心2，分合闸线圈3，永磁体4，非导磁盖板5，空气隙6，和分闸弹簧7。图2所示机构处于分闸状态，通过永磁操动机构的控制装置，对分合闸线圈3进行充电触发。当分合闸线圈产生的磁场在动铁心处产生的电磁力大于分闸7的弹簧拉力时，动铁心2开始动作，合闸动作开始。在采用图4所示控制装置对永磁操动机构进行控制时，动铁心的运动方程可由下述方程式1给出。 $\left\{\begin{array}{c}{U}_C=\mathrm{iR}+\frac{\mathrm{d\Ψ}}{\mathrm{dt}}\\ i=-C\frac{{\mathrm{dU}}_c}{\mathrm{dt}}\\ m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=F_{\mathrm{mag}}-F_f(x,\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}})\\ F_{\mathrm{mag}}=f_2\left(W_{\mathrm{\μ}}\right)\\ \mathrm{\Ψ}=-f_1(i,\mathrm{\δ})\end{array}\right.$ 方程式1

式中，U_c为控制装置中储能电容器两端电压；i,Ψ分别为分合闸线圈电流和电磁系统全磁链；t为时间；x为动铁心相对于分闸位置的位移；m为电磁系统运动部件归算到动铁心处的质量；F_mag，F_f分别为动铁心受到的电磁吸力和运动反力；W_μ为电磁系统的磁能，是i,Ψ的函数；C为储能电容器的容量，δ位电磁间隙。

为直接求解上述方程组，需要已知断路器永磁操纵机构电磁力、运动阻力与位移等的关系。在给定参数条件下，通过分析并忽略某些次要因素的影响，可以获得线圈电流曲线的理论上的趋势。由于操动机构自身参数差异，传感器测量性能差异以及实际操作环境等诸多因素影响，线圈实际电流曲线通常与理论曲线有较大的偏差。这种偏差可能造成控制装置的控制错误，并由此导致断路器的误操作。

为了避免这一问题出现，希望控制装置按照具有理想控制效果的参考线圈电流曲线对断路器线圈进行控制。

如图4所示，本发明的真空断路器永磁操动机构的控制装置包括控制核心单元，存储单元，电容器充放电控制单元，IGBT功率输出单元，电流测量单元。可以根据控制装置所控制的真空断路器的类型和参数选择合适的储能电容器，与电容器充放电控制单元连接的储能电容器根据来自电容器充放电控制单元的充放电信号进行充电和放电，使储能电容器的电压能够满足操作断路器永磁操动机构进行分合闸操作的要求。存储单元用于存储参考线圈电流曲线。IGBT功率输出单元具有输出端口，IGBT功率输出单元基于控制核心单元输出的触发信号将储能电容器存储的能量通过输出端口输出至永磁操动机构线圈。电流测量单元，优选霍尔电流传感器，用于测量断路器分合闸操作时通过所述永磁操动机构线圈电流，也就是感测IGBT输出端口输出的电流，并将测量得到的电流反馈至控制核心单元。控制核心单元基于参考线圈电流曲线的参考线圈电流与来自所述电流传感器的反馈信号的比较，输出触发信号，以使IGBT功率输出单元输出的线圈电流与参考电流保持一致。该控制装置可进一步包括滤波装置，用于对来自电流传感器的反馈信号进行滤波。更优选地，该控制装置的控制核心单元包括滤波单元，和滞环控制单元。滞环控制单元基于所述反馈信号与所述参考电流的偏差依据滞环比较算法计算输出IGBT的触发信号。根据断路器的类型，控制装置可具有多组IGBT输出端口，以实现对三相分立控制式断路器的各相分立控制。在此情况下，相应数量的电流测量单元分别测量IGBT输出端口输出的三相线圈电流并反馈给控制核心单元。控制核心单元将接收的三相反馈信号分别与存储器中存储的三相各自的参考线圈电流曲线进行比较，并对IGBT功率输出单元进行控制，以使IGBT各相输出端口输出的线圈电流与各相线圈电流曲线保持一致。

控制装置可在开环状态下，针对一组不同电容值的电容器和不同的初始电压，采样获得一组至少包括线圈操作电流曲线和触头位移曲线的分合闸动态特性曲线。例如图3示意性示出开环状态下断路器合闸动态特性曲线，示出了线圈电流和位移曲线之间的关系，纵坐标为电流/位移测量值，横坐标为时间。在所得到的一组曲线中选择使断路器具有理想动作特性的线圈电流曲线作为参考线圈电流曲线保存在的存储单元中。选择具有该参考线圈电流曲线对应的电容值和初始电压的电容器作为应用于该断路器的储能电容器，并按照该参考曲线对储能电容器和IGBT功率控制单元进行控制，使该控制装置与参考线圈电流曲线一致的电流输出。

优选地，本发明的控制单元进一步包括用于对所述来自所述电流传感器的反馈信号进行滤波的滤波单元，例如进行加窗的四点中值滤波。

由于电源及所处电磁环境的影响，电流传感器获得的电流信号中包含大量的噪声干扰。图5给出了在电容容量为4700μF时，对三相分立控制式12kV断路器获得的其中一组合闸线圈电流曲线。图5所示的电流曲线数据存在大量毛刺，无法直接用于实时控制。因此需要一种有效的滤波算法，快速实现对电流曲线的滤波，并将滤波后的数据用于滞环算法，以便实时控制线圈电流输出。由于断路器的分合闸操作时间短暂，为避免出现较大的滤波延时以实时反映线圈电流值，采取了加窗的四点中值滤波。该算法如下：

$I_n=[\underset{k=n-3}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k-\mathrm{Max}\left(I_{n-3,}{I}_{n-2,}{I}_{n-1,}{I}_n\right)-\mathrm{Min}\left(I_{n-3,}{I}_{n-2,}{I}_{n-1,}{I}_n\right)]/2$ 方程式2

滤波单元采用该算法进行电流信号滤波，保证了数据的输出效率，减小了对A/D采样速率的要求。在工业控制领域的实际中，当A/D采样器小于16位，使用基于ARM核心的32位CPU时，可以充分利用32位数据的高低16位交换快速地实现滤波。经实时仿真测定在下，工作于60MHz的LPC2292下，滤波单元的数据输出延时时间小于360ns。图6给出了滤波前后电流曲线的对比。通过图6可以看出，采用根据本发明的滤波单元对电流信号进行滤波，滤波后的数据曲线较为平滑，可以满足实时控制的需要。

在控制装置的闭环控制情况下，滞环控制单元将参考电流曲线作为指令信号，把来自霍尔传感器的电流信号作为反馈信号，计算两者的瞬时偏差，并根据该偏差输出控制IGBT功率输出单元的触发信号，以使流经线圈的电流与参考电流曲线保持一致。

下面将结合图7具体描述获取参考线圈电流曲线的方法步骤。

在理想情况下断路器动作特性是，断路器分合闸速度在开始阶段迅速升高，中间段维持高速运动，以减小分合闸的总体时间；在到达关合点前，降低速度以减小动触头碰撞的能量，并保持在一定速度范围内以满足电气设备同步投入电力系统的同步控制要求。

从上述动作特性可知，为获得理想的曲线，首先应依据已知类型断路器的参数确定用于确定参考曲线的一组储能电容器的容量和初始电压，步骤S701。

依据所要控制的类型断路器的实际参数，以减小分合闸的操作时间并减小到达关合点的速度为原则，由上述动态方程式1确定储能电容器在满足一次分闸或者合闸时所需要的的最小电容值。可大致依据电容能量相等的原则确定电容容量和初始电压值。在选取较高电压时，可相应减少电容器的电容值。应当理解，储能电容器的初始电压的提高有利于减小分合闸的操作时间，而较小的电容值有利于减小断路器触头到达关合点的速度，因此当选取容量较小但初始电压较高的电容器作为储能电容器时，更容易获得接近于理想的速度曲线。这是因为当控制单元输出的触发信号导通永磁操动机构线圈时，由于初始电压较高可以促使线圈内电流快速上升，使电流迅速达到动触头运动临界点，动铁心开始运动。由于需克服动触头运动阻力做功及并将电容器储能的一部分转化为动触头的动能，当电容器的容量较小时，电容的储能较小，就会使电容器的电压迅速下降，从而使线圈电流快速下降。由于电流下降，线圈产生的电磁力减小，从而使加速度减小甚至反向，使到达关合点的速度得到控制。储能电容器的初始电压不能太高，可依据控制单元的电压控制范围确定。根据上述原则，选取电容值在上述可选电容值附近的一组储能电容器，并应用电容储能等效原则确定对应的电容电压值。

对该类型断路器中的其中一个断路器，分别针对所选一组储能电容器中的每一电容器，控制装置在开环状态下分别采样，即在没有来自电流传感器的反馈电流的情况下，控制装置对断路器进行采样获得分别包括分合闸线圈电流曲线和触头位移曲线的一组分合闸动态特性曲线，步骤702。

分析得到的分合闸断路器动触头位移曲线，根据如上所述的断路器理想动作特性，确定用于获取该类型断路器近似理想动触头位移曲线的电容值和电压值，步骤703。需要注意的是，所确定的电容器容量值不能高于正常分合闸操作时的电容容量，而且电压值必须比正常分合闸操作的电压值低，从而保证正常操作时的电容储能能够满足实际重合闸的需要，

利用所述确定的用于获取参考电流曲线储能电容器和初始电压值，在开环状态下采样实际使用的断路器的线圈电流曲线作为相应断路器的参考线圈电流曲线，步骤704。

如上所述，由于电源及所处电磁环境的影响，电流传感器感测的电流信号中包含大量的噪声干扰。优选地，对电流传感器感测的电流信号进行如方程式2所示的加窗的四点中值滤波，可获得平滑的电流曲线。在对参考线圈电流曲线进行选择的过程中，可将选定的电流曲线经滤波后存储为参考线圈电流曲线。

下面以三相分立控制式断路器为例，结合图8具体描述根据本发明的断路器永磁操动机构的控制方法。

如上所述的永磁操动控制装置中，在执行分合闸操作时，触发IGBT导通以接通线圈，并启动操作完成检测机制，在本实例中为操作定时机制，即为分合闸操作限定操作时间，步骤801。

霍尔电流传感器分别感测所述输出的各相线圈电流并将感测的各相电流信号反馈至所述永磁操动控制装置，步骤802。独立于断路器永磁操纵机构的霍尔传感器通过感测控制装置IGBT输出端口输出的电流获得流经断路器各相线圈的电流，并反馈至控制装置的控制单元。优选地，控制单元对来自霍尔电流传感器的反馈信号进行加窗的四点中值滤波，以消除各种噪声的干扰。

永磁操动控制装置基于采样的电流信号值和采样时刻对应的参考电流曲线值计算实际IGBT的触发信号，以使各相线圈输出的电流与参考线圈电流曲线保持一致，步骤803。三相参考线圈电流曲线可以是根据断路器需要的动作特性设计的线圈各相电流曲线，也可以是如上结合图7具体描述的步骤获取的各相参考线圈电流曲线。

要实现线圈的电流按参考电流曲线完成操作，可以采用基于滞环比较方式的电流跟踪型PWM法。在本发明中，希望控制装置以参考电流曲线输出电流，因此将该参考电流曲线作为指令信号，把来自电流传感器的经滤波的电流作为反馈信号，通过将两者的瞬时值比较输出触发信号控制IGBT功率输出单元控制功率输出单元中各功率器件的开关以使功率输出单元的输出电流与参考电流曲线保持一致。

其算法原理如下：

ΔI=i_n-I_n    方程式3

$S_n=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&Delta;I}}_n>{\mathrm{\&Delta;I}}_M\\ 0& -{\mathrm{\&Delta;I}}_M\&le;{\mathrm{\&Delta;I}}_n\&le;{\mathrm{\&Delta;I}}_M\\ -1& {\mathrm{\&Delta;I}}_n<{-\mathrm{\&Delta;I}}_M\end{array}\right.$ 方程式4

式中I_n为参考电流值，i_n为实际测量并经过滤波输出后的实时电流值，ΔI_M为滞环宽度。当S_n为1时，接通功率器件，当S_n为-1时，切断功率器件，为0时保持当前状态而不执行任何动作。ΔI_M的取值与控制精度直接相关，ΔI_M取值较大时，开关动作频率低，跟踪误差增大；ΔI_M取值较小值时，跟踪误差减小，但开关动作频率过高，可能超出功率开关期间的允许频率范围，且开关损耗增加。因此，ΔI_M非常重要。

由于该控制方法是自动控制中比例系数为1的纯比例控制方法，对于测量无滞后，反应迅速的系统，使用该算法可以得到较好的控制效果。然而，在实际应用中，受硬件测量及上述滤波的影响，在实际输出的数据带有相位延时，而且实际驱动线圈的电感量较大，因此使用纯比例控制时常常会超出环宽限制，难以获得理想的控制效果。为了获取更好的控制效果，在算法中引入了比例环节和积分环节以获得更加理想的控制效果。其控制算法如下：

$\mathrm{\&Delta;I}=K_P(i_n-I_n)+K_D(i_n-i_{n-1})+K_I\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i_j-I_j)$ 方程式5

$S_n=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\&Delta;I}}_n>{\mathrm{\&Delta;I}}_M\\ 0& -{\mathrm{\&Delta;I}}_M\&le;{\mathrm{\&Delta;I}}_n\&le;{\mathrm{\&Delta;I}}_M\\ -1& {\mathrm{\&Delta;I}}_n<{-\mathrm{\&Delta;I}}_M\end{array}\right.$ 方程式6

式中K_P，K_D，K_I分别为比例系数，微分补偿系数和积分系数，I_n为参考电流值，i_n为实际测量并经过滤波输出后的实时电流值，ΔI为电流偏差，ΔI_M为滞环宽度，S_n的定义与式4相同。区别于一般的PID算法，式5中微分项作为测量值的线性补偿，而不是对测量数据量误差增长趋势的预测。

通过采用根据本发明的控制方法，可以使每次分合闸的动作情况与参考电流曲线下的对应的动作保持一致，从而使断路器的分合闸时间确定。由于参考电流曲线所对应的断路器的所有运行状态都是可知的，断路器不会出现因操作过电压致使线圈电流过大，进一步造成动触头速度过大而至碰撞剧烈，弹跳甚至烧毁线圈等情况发生。更重要的是，通过这种控制方法可以使断路器的每次分合闸的时间确定，分合闸最大误差时间在±0.3ms，可以实现对断路器同步关合的技术要求。

下面参照具体实例说明本发明的效果。

实例1

该实例以三相分立控制式的12kV真空断路器为例，具体说明适用于该断路器的控制装置参考线圈电流曲线的设置方法。

首先，根据真空断路器的参数，分别选取电容值为2500μF，4700μF的电容储能电容器用于控制装置中进行开环电流曲线的测量。图9为在210V初始电压，2500μF电容值的储能电容器情况下，依据开环控制原理进行分合闸控制时，断路器的动态特性曲线，包括电流、位移及速度曲线；图10为在170V初始电压，4700μF电容值的储能的电容器情况下断路器的动态特性曲线。为方便查看，纵坐标为实际A/D的采样值经过比例运算后的值，未换算成真实值，横坐标的时间单位为ms。

经计算，两图的最大速度均为1.2m/s左右。通过实际测量，图9所示动静触头的接触时间在16.897ms处，图10所示动静触头的接触时间在18.626ms处。在2500μF下，由于电容电压较高，动铁心运动前电流迅速增加，运动后初期速度快速增大，从而使关合总体时间减小。然而由于电容电压迅速下降，至最后到达时刻，电流已无法再次上升，从而使关合的可靠性难于保证，因此通过对理论与实验结果分析，在该例中，选择4700μF，170V下的电流曲线作为根据本发明控制装置的参考线圈电流曲线。

实例2

该实例用于验证基于本发明的驱动线圈电流曲线控制方法，其中选取了4700μF的储能电容器作实验。图11和图12给出储能电容器电容值为4700μF，初始电压电压分别为200V下的控制装置输出的线圈电流曲线与参考电流电流曲线的对比，以及位移曲线与参考电流曲线所对应的位移曲线的对比。

实例3

该实例用于验证基于本发明的驱动线圈电流曲线控制方法，其中选取了47000μF的储能电容器作实验。图13和图14给出了电容量为47000μF，电压分别为180V下的控制装置输出的线圈电流曲线与参考电流电流曲线的对比，以及位移曲线与参考电流曲线所对应的位移曲线的对比。

实例4

图15和图16给出了电容量为47000μF，电压分别为200V下的控制装置输出的线圈电流曲线与参考电流电流曲线的对比，以及位移曲线与参考电流曲线所对应的位移曲线的对比。

从以上各实例可以看出，在不同操作电压和不同电容容量下，线圈电流总是沿参考线圈电流曲线输出。实际输出电流与参考电流误差的动态误差范围较小，保持在8个测量单位内，根据本发明的控制装置和控制方法中，动态范围为±0.3A以内，满足对断路器的控制需要。从上述各曲线可以看出，随控制装置中储能电容器的控制电压和电容容量的不同，操作机构输出的PWM波形随之改变。PWM输出频率随着电容容量或初始电压的增大而增大。在高电压下，线圈电流总是在参考电流附近，未出现过大电流，很好地保护了线圈。

从各位移曲线可以看出，操作过程中，动触头整个运动过程位移曲线几乎与参考电流曲线所对应的位移曲线重合，因此只需知道参考电流曲线在各时间值下的位移数据，就可以知道实际操作过程中各时刻的触头位移数据，实现对触头的非接触测量。根据本发明控制方法得到的单稳态真空断路器分闸和合闸时间误差范围基本在±0.3ms以内，表1给出了实际测量得到的几组不同情况下的分合闸时间。

表1不同情况下分合闸时间

考虑到在实际测量实验中，断路器的振动可能影响到实测到位移测量时间，因此断路器的实际关合时间应优于上述测量的动态范围，达到了很好的控制效果。通过这种方法有效保证了断路器的操作时间的稳定性，由于使用较高的操作电压，并合理控制驱动电流，保护了线圈，使其不会因过流而烧毁，在加快了分合闸时间的同时，合理控制了分合闸速度，很好的保护动触头，避免其因受过大的冲击力可能造成的变形、弹跳等，延长使用寿命，也提高了操作的可靠性。

实例5

图17和图18给出了电容量为47000μF，初始电压为180V下三项分立式控制12kV真空断路器在合闸位置合闸和分闸位置分闸情况下的线圈电流曲线。从图17和图18可以看出，在合闸位置合闸和分闸位置分闸时线圈的电流得到了很好的控制，其电流曲线基本与参考曲线趋势重合，不存在过电流现象，驱动线圈得到了有效保护。

在实际应用中由于电容储能需至少应能完成分闸-合闸，分闸的动作，即完成O-CO动作，为使控制曲线能够按参考曲线输出，应选取电容容量应远高于4700μF，电容初始电压应大于170V。实验证实使用额定电压250V，容量为47000μF的电容时，在充电电压为210V的情况下，至少可以按参考曲线完成O-CO-CO操作，各次重合闸的位移曲线与4700μF，170V的位移曲线重合，完成上述动作后其电容余压仍大于170V，完全满足实际的继保需要。显然实际使用时更高的充电电压或更大的电容容量将能进一步提高重合闸次数，从而有利于断路器更好的完成继电保护动作，提升电力系统稳定性。

根据本发明的基于永磁机构动态特性的控制方法可以有效控制断路器动触头的运动状态。由于线圈电流在断路器操作过程中受控，避免出现在较高操作电压以及合闸状态下合闸和分闸状态下分闸时，线圈的过电流现象，很好的保护了线圈。通过提高用于获取参考曲线的电容电压和降低电容的容量，可以有效缩短操作时间并控制关合点的速度，降低碰撞对触头的影响，减少触头弹跳现象，延长机构的使用寿命。由于减少了碰撞能量的损失，在相同条件下，断路器重合闸次数得到提高。

通过这种控制方法可以使断路器的每次分合闸的时间确定，分合闸最大误差时间在±0.3ms，远小于同步关合技术指标的要求，即分闸误差时间在±2ms，合闸误差时间在±1ms。因此根据本发明的控制方法能够满足实际控制需求。

应当理解，以上借助本发明的优选实施例本发明的技术方案进行了详细说明，应当理解，以上说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明的保护范围仅由随附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种永磁真空断路器的控制方法，该方法包括测量永磁机构的线圈电流，获取用于实时控制的参考电流曲线，以及滞环控制算法，

其特征在于无需在断路器本体上增加任何部件，通过实时测量线圈的电流并与参考电流的对比，由滞环控制算法确定功率器件的实际触发信号，实现对线圈电流的实时闭环控制，从而使永磁真空断路器的分合闸时间保持一致，

该方法进一步包括：

用于获取参考电流曲线的方法，

用于信号实时滤波的加窗四点中值滤波，

改进型的滞环控制算法。

2.如权利要求1所述的真空断路器控制方法，其特征在于，该方法包括带矩形窗平移的四点中值滤波，用于对实时采样电流信号进行滤波，以满足实时控制算法对输入信号的要求。

3.如权利要求1所述的真空断路器控制方法，其特征在于，应用改进型的滞环控制方法，计算实时电流值与参考电流值差值，并进一步转换成驱动功率器件的PWM信号，实现对线圈电流的跟踪控制。

4.如权利要求1所述的真空断路器控制方法，其特征在于，线圈参考电流曲线的获取方法，该方法包含以下步骤：

A.确定用于获取参考曲线的电容值和电压值，对于同一型号的断路器，该步骤仅需执行一次，其中包含以下内容：

根据已知断路器型号的参数确定正常执行一次合闸或者分闸所需的最小储能电容器的容量值和初始电压；

B.在所述型号的某一断路器投入使用前，利用A确定的电容值和电压值，在开环状态下，分别进行一次分闸和合闸操作，由控制装置自身采样并记录本次操作的分合闸电流曲线作为该断路器正常分闸和合闸操作的参考曲线。

5.如权利要求4所述的真空断路器控制方法，其特征在于，选取高于或等于所确定的用于获取参考曲线的电容容量作为正常分合闸操作时的电容容量，以及选取高于用于获取参考曲线的电压值作为正常分合闸操作的电压值，以保证正常操作时的电容储能满足重合闸的需要。

6.如权利要求4所述的真空断路器控制方法，其特征在于，所述确定用于获取参考曲线的电容值和电压值的步骤进一步包括：

应用电容储能等量的原则，电容储能公式

提高电容的电压并降低电容的容量，以便在减小分合闸整体时间的同时限制分合闸的末速度，

在开环控制状态下，改变电容值和电压反复实验以获取最佳的真空断路器位移曲线，确定用于获取该型号断路器参考电流曲线的电容值和电容初始电压值，此步骤用于优化参考曲线。

7.一种永磁真空断路器的控制装置，该装置应用权利要求1所述方法原理设计，其包括电容器充放电控制单元，IGBT功率输出单元，电流测量单元，以及控制核心单元，其特征在于，

该电容器充放电控制单元用于根据来自控制核心单元的充放电信号对控制装置的储能电容器充放电，

该IGBT功率输出单元用于根据来自控制核心单元的触发信号将储能电容器的放电电流输出至线圈，

该电流测量单元测量所述IGBT功率输出单元输出的线圈电流并反馈至控制核心单元，

该控制核心单元基于测量的线圈电流和参考电流的对比，利用改进型的滞环控制算法确定用于IGBT功率输出单元的触发信号，使线圈输出电流与预设电流一致，从而使永磁真空断路器的分合闸时间保持一致。

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