CN103779119B - 零电压吸合零电流分断交流单极智能开关 - Google Patents
零电压吸合零电流分断交流单极智能开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种零电压吸合零电流分断交流单极智能开关，包括触头回路交流电源和控制回路交直流电源，其特征在于：所述触头回路交流电源经触头回路保护模块连接至负载的一端，所述触头回路交流电源还经电力载波通信信号发送模块、开关主触头、电流检测模块和电力载波通信信号接收模块连接至负载的另一端；所述电流检测模块，用于检测电流的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述开关主触头两端并联连接触头电压检测模块，所述触头电压检测模块，用于检测电压的零点和频率，并传输给数字控制模块。本发明可防止开关误动作，解决了机构分散性和电磨损带来的动作时间差异，完成零电压吸合、零电流分断、节能无声运行闭环实时控制，提高了开关性能。
Description
技术领域
本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种零电压吸合零电流分断交流单极智能开关。
背景技术
交流供电系统是目前最普及的一种供电系统，交流开关的用量远远大于直流开关。近年来低压电器的智能化控制技术迅速发展，出现了多种控制方案。但是，大多数控制方案均是针对电磁系统展开研究的。从高压直流吸合、低压直流吸持，到采用数字控制技术的吸合闭环、吸持闭环控制方案，都是直接控制交流开关的电磁系统而采取的智能化控制策略和控制方案。交流开关在应用过程中，控制主电路的直接体现是触头系统的工作状态和对外所呈现的控制模式。
对交流开关电器来说，由于其吸合过程中的触头弹跳现象和分断过程中的触头之间所产生的电弧现象，直接影响整个电路是否能够可靠地工作。零电压吸合零电流分断，是开关工作的理想状态。控制开关实现零电压吸合，就能够极大减小其吸合弹跳引起的触头系统烧损，抑制吸合过程可能产生的涌流现象，而分断过程实现零电流分断，可以将分断过程触头系统的磨损降到最低限度。
随着电器技术的不断进步，组合式开关电器得到越来越多的应用。因此，交流单极开关成为发展的一个方向。对于单相交流开关来说，通过引入智能化的控制技术，可以方便的实现零电压吸合、零电流分断控制功能。
本专利发明一种具有零电压吸合、零电流分断、节能无声运行的交流单极智能开关。采用数字化动态控制技术，通过触头电压检测模块、触头电流检测模块、电力载波通信模块将触头系统的信号引入智能控制模块中，在吸合过程对电磁系统实现速度闭环控制，直接控制触头的撞击能量，并调整动作时间，实现零电压吸合的控制模式；吸持过程电磁系统工作于电流闭环斩波模式，自动调整斩波频率，在较宽的输入电压范围内维持吸持电流的稳定，实现节能无声闭环运行；分断过程通过触头系统电流检测模块，检测触头系统的电流，同时对电磁系统施加负压控制，实现零电流分断控制。尤其是将电力载波通信技术引入控制系统中，利用电力载波通信模块，检测触头系统的吸合时间、分断时间、吸合弹跳和弹跳时间等参数，并加入闭环控制中，可以方便的调整控制参数，克服机械结构分散性和电磨损造成的动作时间差异，形成真正意义上的闭环实时控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有零电压吸合、零电流分断、节能无声运行的零电压吸合零电流分断交流单极智能开关。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种零电压吸合零电流分断交流单极智能开关，包括触头回路交流电源和控制回路交直流电源，所述触头回路交流电源经触头回路保护模块连接至负载的一端，所述触头回路交流电源还经电力载波通信信号发送模块、开关主触头、电流检测模块和电力载波通信信号接收模块连接至负载的另一端；所述电流检测模块，用于检测电流的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述开关主触头两端并联连接触头电压检测模块，所述触头电压检测模块，用于检测相电压的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述电力载波通信信号发送模块通过电力线向电力载波通信信号接收模块发出信号，当开关主触头打开时，信号无法传输，当触头吸合时，信号得以传输；通过电力载波通信信号发送模块和电力载波通信信号接收模块，实现开关主触头的动作时间与弹跳情况测试；所述数字控制模块通过第一信号处理模块向电力载波通信信号发送模块发出动作指令，一旦电力载波通信信号接收模块接收到指令，通过第二信号处理模块向数字控制模块输送数据参数，进行数据识别，并通过对比发送和接收数据的异同，判断开关主触头的实时开关状态，进而在线测量开关主触头的固有分合闸时间和弹跳情况；所述控制回路交直流电压经整流模块和滤波模块后，输出平稳直流；电压采样模块并联于控制回路交直流电源两端，用于检测输入电压有效值，并传输给数字控制模块；外界输入信号模块连接至所述数字控制模块，所述外界输入信号模块，用于接收外界反馈信号，控制电磁系统的激磁状态，或用于接收PLC的过程控制信号，对电磁系统的工作状态进行远程控制；所述数字控制模块通过第一隔离驱动电路和第二隔离驱动电路控制第一电力电子开关和第二电力电子开关；所述数字控制模块还经电流传感器、电磁系统线圈和开关的联动机构连接至开关主触头；所述第一电力电子开关经第二快恢复二极管、第二电力电子开关和第一块恢复二极管形成回路；所述第一电力电子开关和第二快恢复二极管相连接至电磁系统线圈；所述第二电力电子开关和第一快恢复二极管相连接至电流传感器；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时导通时，直流正向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时截止且电磁系统线圈电流不为零时，直流负向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关只有一个导通，电磁系统线圈通过第一电力电子开关和第一快恢复二极管续流，或者通过第二电力电子开关和第二快恢复二极管续流时，电磁系统线圈端电压为负的续流管压降；所述电流传感器用于检测电磁系统线圈电流。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）将数控技术引入交流单极开关的智能控制中，具有速度快、体积小、控制方便的特点，实现了吸合过程的零电压吸合，分断过程的零电流分断，以及吸持阶段的节能无声运行。采用电力载波通信模块实时监控交流单极智能开关的触头状态，判断当前开关状态是否与所需的控制状态一致，进行开关状态闭环监测，可防止开关误分断及误导通；
（2）吸合过程采用了触头电压信号检测、电力载波通信模块，判断相电压的零点、频率，触头弹跳和动作时间，配合电磁系统的闭环吸合控制，通过控制动铁心运动速度来调整吸合运动过程，大幅度减少了吸合过程的铁心与触头的弹跳，实现零电压吸合控制。尤其将电力载波通信技术引入吸合过程控制中，设置吸持过程中的给定斜率，根据电力载波通信模块的实时输出信号，在闭环变流控制模式下，灵活控制开关激磁状态，可以解决机械结构分散性和电磨损所带来的动作时间差异，完成零电压吸合控制；
（3）分断过程采用了触头电流信号检测、电力载波通信模块，通过判断触头系统的电流零点、分断时间，控制开关的触头在电流零点之前的一个极小区域分断。通过电力载波通信模块实时监控开关触头的状态，将分断过程分为超程阶段和开距阶段，在超程阶段施加负压，使触头具有较高的刚分速度，提高分断能力，在触头刚分的一段极短时间后，对开关进行弱磁控制，施加一个较小的激磁电流，减缓动铁心的分断速度，防止对开关框架造成较大的冲击及触头的回弹，提高开关机械寿命及分断可靠性。
附图说明
图1为本发明零电压吸合零电流分断交流单极智能开关控制原理框图。
图2为本发明零电压吸合零电流分断交流单极智能开关吸合阶段的控制原理图。
图3为本发明零电压吸合零电流分断交流单极智能开关分断阶段的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种零电压吸合零电流分断交流单极智能开关，包括触头回路交流电源和控制回路交直流电源，所述触头回路交流电源经触头回路保护模块连接至负载的一端，所述触头回路交流电源还经电力载波通信信号发送模块、开关主触头、电流检测模块和电力载波通信信号接收模块连接至负载的另一端；所述电流检测模块，用于检测电流的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述开关主触头两端并联连接触头电压检测模块，所述触头电压检测模块，用于检测相电压的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述电力载波通信信号发送模块通过电力线向电力载波通信信号接收模块发出信号，当开关主触头打开时，信号无法传输，当触头吸合时，信号得以传输；通过电力载波通信信号发送模块和电力载波通信信号接收模块，实现开关主触头的动作时间与弹跳情况测试；所述数字控制模块通过第一信号处理模块向电力载波通信信号发送模块发出动作指令，一旦电力载波通信信号接收模块接收到指令，通过第二信号处理模块向数字控制模块输送数据参数，进行数据识别，并通过对比发送和接收数据的异同，判断开关主触头的实时开关状态，进而在线测量开关主触头的固有分合闸时间和弹跳情况；所述控制回路交直流电压经整流模块和滤波模块后，输出平稳直流；电压采样模块并联于控制回路交直流电源两端，用于检测输入电压有效值，并传输给数字控制模块；外界输入信号模块连接至所述数字控制模块，所述外界输入信号模块，用于接收外界反馈信号，控制电磁系统的激磁状态，或用于接收PLC的过程控制信号，对电磁系统的工作状态进行远程控制；所述数字控制模块通过第一隔离驱动电路和第二隔离驱动电路控制第一电力电子开关和第二电力电子开关；所述数字控制模块还经电流传感器、电磁系统线圈和开关的联动机构连接至开关主触头；所述第一电力电子开关经第二快恢复二极管、第二电力电子开关和第一块恢复二极管形成回路；所述第一电力电子开关和第二快恢复二极管相连接至电磁系统线圈；所述第二电力电子开关和第一快恢复二极管相连接至电流传感器；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时导通时，直流正向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时截止且电磁系统线圈电流不为零时，直流负向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关只有一个导通，电磁系统线圈通过第一电力电子开关和第一快恢复二极管续流，或者通过第二电力电子开关和第二快恢复二极管续流时，电磁系统线圈端电压为负的续流管压降；所述电流传感器用于检测电磁系统线圈电流。
以下为本发明的具体实施例。
如图1所示，图中P1为触头回路交流电源，B为触头回路保护模块，Z为负载，E1 为电力载波通信信号发送模块，F1为信号处理模块1，C为开关主触头，U1为触头电压检测模块，I1为触头电流检测模块，E2为电力载波通信接收模块，F2为信号处理模块2，L为开关的联动机构，P2为控制回路交直流电源，R为电压采样模块，A为整流模块，D为滤波模块，S1、S4为电力电子开关，D2、D3为快恢复二极管，X为电磁系统线圈，I2为电流传感器，W为外界输入信号模块，M为数字控制模块，Q1为隔离驱动电路1，Q2为隔离驱动电路2。
触头回路交流电源P1经过触头回路保护模块B和主触头C与负载Z相连，触头电压检测模块U1并接在主触头C两端，用于检测相电压的零点和频率，为零电压吸合提供控制依据，电流检测模块I1与主触头C串联，用于检测相电流的零点和频率，为零电流分断提供控制依据；电力载波通信信号发送模块E1通过电力线向电力载波通信信号接收模块E2发出信号，当触头打开时，信号无法传输，当触头吸合时，信号得以传输，通过这两个模块，实现开关触头的动作时间与弹跳情况测试，为闭环控制提供调整参量；数字控制模块M通过信号处理模块F1向电力载波通信信号发送模块E1发出动作指令，一旦电力载波通信信号接收模块E2收到指令，通过信号处理模块F2向数字控制模块M输送相关数据参数，进行数据识别，通过对比发送和接收数据的异同，即可判断触头实时开关状态，进而在线测量触头的固有分合闸时间和弹跳情况，为零电压吸合零电流分断提供控制信号。
控制回路交直流电源P2经整流模块A和滤波模块D后，输出平稳直流，电压采样模块R用于检测输入电压有效值；外界输入信号模块W用于接收外界反馈信号，合理控制电磁系统的激磁状态；或用于接收PLC的过程控制信号，对电磁系统的工作状态进行远程控制；通过控制电力电子开关S1、S4的导通或截止状态来决定电磁系统的工作状态，S1、S4同时导通时，直流正向电压施加在线圈X两端，S1、S4同时截止且线圈电流不为零时，线圈电流通过二极管D2、D3续流，线圈X两端承受直流负向电压，S1、S4只有一个导通且线圈电流不为零时，线圈X通过一个开关管和一个续流二极管续流（假设为S1、D2），线圈X端电压为负的续流管压降，幅值较小；电流传感器I2用于检测电磁系统线圈X电流；隔离驱动电路Q1及隔离驱动电路Q2分别用于驱动开关管S1、S4；整个控制系统的核心为数字控制模块M，根据线圈电流值及触头电压、电流、时间值进行灵活的零电压吸合、零电流分断、节能无声运行闭环实时控制。
本发明的智能开关工作过程如下：
1、吸合阶段：通过判断电压采样模块R检测的输入电压有效值，决定是否进入吸合程序；接到吸合指令后，数字控制系统M开始通过触头电压检测模块U1检测相电压的零点和频率，检测到电压零点以后，延时时间t1控制交流单极智能开关的电磁系统进入闭环吸合控制程序，通过控制电磁系统动铁心速度来调整吸合运动过程，减少吸合过程的铁心与触头的弹跳，并控制吸合运动时间为t2，在电压另一个零点之前t3完成吸合过程，t3为触头电压零点前一个时间区域（这个时间区域与触头在吸合过程中的弹跳有关），为了克服触头弹跳和机械结构分散性，所设定的合闸区域，其控制原理如图2所示。
时间t2与开关的固有吸合运动时间有关，由于机构的分散性和开关运行过程中的触头磨损，导致开关的超程和开距发生变化，将导致开关固有吸合时间发生变化；在吸合运行过程中，数字控制模块M将读取电力载波通信模块中存储的前次吸合过程触头的弹跳数据与吸合时间，该数据与参考数据对比，用来设置吸持过程中的给定斜率；根据电力载波通信模块的实时输出信号，将吸合过程分为触头的开距阶段及超程阶段，在开距阶段设置较小的给定斜率值及较小的给定最大电流值，在超程阶段设置较大的给定斜率值和较大的给定最大电流值，然后在闭环变流控制模式下，灵活控制开关激磁状态，完成吸合过程；在吸和过程中，电力载波通信模块检测触头弹跳次数、弹跳时间、吸合时间，得出触头吸合时间数据，用于指导下次合闸动作过程。
2、吸持阶段：吸合过程结束后，开关转入吸持控制程序，通过设定PWM工作频率和占空比，维持线圈电流的动态恒定，将开关的线圈电流维持在一个较低的数值，实现电磁系统的闭环恒流保持，实现节能无声运行；同时，电力载波通信模块实时监控交流单极智能开关的触头状态，判断当前开关状态是否与所需的控制状态一致，进行开关状态闭环监测，可防止开关误分断及误导通。
3、分断阶段：通过判断电压采样模块R检测的输入电压有效值，决定是否进入分断程序；接到分断指令后，数字控制系统M开始通过触头电流检测模块I1检测相电流的零点和频率，检测到电流零点以后，延时时间t4控制交流单极智能开关的电磁系统进入分断控制程序，通过对电磁系统施加负压的方式控制开关快速分断，分断运动时间为t5，在电流的另一个零点之前t6（时间极短）完成分断过程，减小（甚至消除）分断电弧；t6为触头电流零前一个微小的时间区域，其控制原理如图3所示。
时间t5与开关的固有分断运动时间有关，由于机构的分散性和开关运行过程中的触头磨损，也会导致开关的固有分断时间发生变化；在分断运行过程中，数字控制模块M将读取电力载波通信模块中存储的前次触头分断时间，根据该时间来设定分断过程的控制模式；通过电力载波通信模块实时监控开关触头的状态，将分断过程也分为超程阶段和开距阶段，在超程阶段施加负压，使触头具有较高的刚分速度，提高分断能力，在触头刚分的一段极短时间后，对开关进行弱磁控制，施加一个较小的激磁电流，减缓动铁心的分断速度，防止对开关框架造成较大的冲击及触头的回弹，提高开关机械寿命及分断可靠性。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种零电压吸合零电流分断交流单极智能开关，包括触头回路交流电源和控制回路交直流电源，其特征在于：所述触头回路交流电源经触头回路保护模块连接至负载的一端，所述触头回路交流电源还经电力载波通信信号发送模块、开关主触头、电流检测模块和电力载波通信信号接收模块连接至负载的另一端；所述电流检测模块，用于检测电流的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述开关主触头两端并联连接触头电压检测模块，所述触头电压检测模块，用于检测相电压的零点和频率，并传输给数字控制模块；所述电力载波通信信号发送模块通过电力线向电力载波通信信号接收模块发出信号，当开关主触头打开时，信号无法传输，当触头吸合时，信号得以传输；通过电力载波通信信号发送模块和电力载波通信信号接收模块，实现开关主触头的动作时间与弹跳情况测试；所述数字控制模块通过第一信号处理模块向电力载波通信信号发送模块发出动作指令，一旦电力载波通信信号接收模块接收到指令，通过第二信号处理模块向数字控制模块输送数据参数，进行数据识别，并通过对比发送和接收数据的异同，判断开关主触头的实时开关状态，进而在线测量开关主触头的固有分合闸时间和弹跳情况；所述控制回路交直流电源经整流模块和滤波模块后，输出平稳直流；电压采样模块并联于控制回路交直流电源两端，用于检测输入电压有效值，并传输给数字控制模块；外界输入信号模块连接至所述数字控制模块，所述外界输入信号模块，用于接收外界反馈信号，控制电磁系统的激磁状态，或用于接收PLC的过程控制信号，对电磁系统的工作状态进行远程控制；所述数字控制模块通过第一隔离驱动电路和第二隔离驱动电路控制第一电力电子开关和第二电力电子开关；所述数字控制模块还经电流传感器、电磁系统线圈和开关的联动机构连接至开关主触头；所述第一电力电子开关经第二快恢复二极管、第二电力电子开关和第一快恢复二极管形成回路；所述第一电力电子开关和第二快恢复二极管相连接至电磁系统线圈；所述第二电力电子开关和第一快恢复二极管相连接至电流传感器；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时导通时，直流正向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关同时截止且电磁系统线圈电流不为零时，直流负向电压施加于电磁系统线圈的两端；当第一电力电子开关和第二电力电子开关只有一个导通，电磁系统线圈通过第一电力电子开关和第一快恢复二极管续流，或者通过第二电力电子开关和第二快恢复二极管续流时，电磁系统线圈端电压为负的续流管压降；所述电流传感器用于检测电磁系统线圈电流。
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