CN104021978A - 永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置及其控制方法。切换装置包括：切换单元、恒流充电过程量采集单元、电压检测单元、微控制器驱动检测单元。分闸电容组或者合闸电容组在切换单元动作后接入主回路，电压检测单元采集接入主回路电容组的电压，恒流充电过程量采集单元实时检测主回路输出的充电电流，平滑了充电电流，减小了整流滤波后的交流电直接给合分闸电容充电产生的瞬间电流，确保分合闸电容组稳定的充放电性能，延长了电容使用寿命。控制方法利用BP神经网络算法整定PID参数，根据接入主回路电容组的电压以及充电电流得到切换单元的控制信号，进而实现合分闸电容的稳定充电。

Description

永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置及其控制方法

技术领域

本发明公开了永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置及其控制方法，属于智能化开关电器的技术领域。

背景技术

永磁操动机构的真空开关由于具有结构简单、工作可靠、驱动方便、控制迅速等诸多优点而逐渐得到广泛应用。而永磁真空开关实现分合闸操作的驱动电流由分合闸储能电容来实现，故储能电容器在断路器中是比较重要但很脆弱的一个环节，这也是关系到断路器能否可靠工作、稳定运行的关键因素。

现有的永磁真空开关的分合闸电容组充电电路，通常采用通过交流供电电源经整流滤波后直接给分合闸充电，一方面，电容组充电初始时间，瞬间电流较大，对线路及回路的其他器件造成一定的影响，滤波电容的瞬间充电电流过大常常会造成电路的烧结或电路保护断开回路，另一方面，长时间直接对合分闸电容组直接进行充放电操作对分合闸电容组性能有一定的影响，严重影响电容器的使用寿命，最终会导致永磁真空开关不能够正常稳定的工作。

永磁真空开关的分合闸电容组切换充电电路，通常采用机械式切换电容组连接触点的方式，由于机械连锁切换速度相比电子器件电路切换速度较缓慢，并且机械触点间很难达到无缝接触存在一定的间隙，对分合闸线圈放电过程中机械触点间容易出现拉弧现象，因此，机械式切换电容组的方法对于永磁真空开关的正常运行存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置及其控制方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，主回路输出的充电电流经过切换装置向分合闸电容组充电，所述切换装置包括：切换单元、恒流充电过程量采集单元、电压检测单元、微控制器驱动检测单元，

所述恒流充电过程量采集单元的正采集端子与主回路输出端连接，恒流充电过程量采集单元的负采集端子与切换单元的固定端连接，切换单元的活动端分别与分闸电容组正极、合闸电容组正极连接，分闸电容组负极以及合闸电容组负极接主回路的地，电压检测单元的一个采集端子与切换单元固定端连接，电压检测单元的另一个采集端子与主回路的地连接，恒流充电过程量采集单元的输出端与微控制器驱动检测单元的电流采集引脚连接、电压检测单元输出端与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚连接，微控制器驱动检测单元输出端与切换单元的控制端连接；

分闸电容组或者合闸电容组在切换单元动作后接入主回路，电压检测单元采集接入主回路电容组的电压，恒流充电过程量采集单元实时检测主回路输出的充电电流，微控制器驱动检测单元根据接入主回路电容组的电压以及充电电流得到切换单元的控制信号。

作为所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置的进一步优化方案，主回路包括：整流滤波模块、变压器模块，所述整流滤波模块输入端接交流电，所述变压器模块输入端接整流滤波模块输出端，变压器模块输出平滑的充电电流；

其中，所述整流滤波模块包括整流单元、上电限流保护单元以及滤波电容，所述上电限流单元包括：第一电阻一端与接整流单元的一个输出端子，第一继电器公共端、第一电阻另一端均与滤波电容正极连接，第一继电器的常开点与第一电阻的另一端连接，滤波电容负极接整流单元的另一个输出端子；

第一继电器的公共端在初始上电时与常闭点连接，输入交流电经过整流单元、第一电阻向滤波电容充电，第一继电器线圈在滤波电容充电完成后得电动作，第一继电器公共端与常开点连接将第一电阻短接。

作为所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置的进一步优化方案，变压器模块包括：变压器，接在变压器副边绕组线圈上的尖峰消除电路，所述尖峰消除电路包括：第二、第三、第四二极管，第四、第五电阻，第三、第四电容，第一电感，

其中，第二二极管阴极、第三二极管阴极、第一电感一端、第五电阻一端分别与变压器副边绕组线圈的一端连接，第二二极管阳极、第三电容一极均与第四电阻一端连接，第三电容另一极、第四电阻另一端、第四二极管阴极均与第一电感另一端连接，第三二极管阳极、第五电阻另一端均与第四电容一极连接，第四二极管阳极、第四电容另一极、变压器副边绕组线圈另一端均接主回路的地。

作为所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置的进一步优化方案，电压检测单元包括：第六、第七、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八、第二十电阻，调压电阻，第十七、第十八电容，运算放大器，第三、第四光耦，第十二极管，

其中，第六电阻一端接恒流充电过程量采集单元的负采集端子，第七电阻一端接第六电阻另一端，第七电阻另一端接主回路的地，第十四电阻一端接第六、第七电阻的连接点，第十四电阻另一端、第十七电容一极、第十五电阻一端均与第十六电阻一端连接，第十七电容另一极、第十五电阻另一端、第十七电阻一端均接主回路的地，运算放大器的负输入端接第十六电阻另一端，第十八电容一极、第十八电阻一端分别与运算放大器输出端连接，第十八电阻另一端与第三光耦阳极连接，第三光耦阴极与第四光耦阳极连接，第三光耦集电极接运算放大器工作电源，第三光耦发射极、第十八电容另一极、第十七电阻另一端均与运算放大器正输入端连接，第四光耦阴极接主回路的地，第四光耦发射极接调压电阻一端，第二十电阻一端接调压电阻调节端，第二十电阻另一端、第十九电容一极、第十二极管阳极连接后再与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚连接，第十二极管阴极、第四光耦集电极均接直流电源，调压电阻另一端、第十九电容另一极均接入微控制器驱动检测单元的地。

作为所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置的进一步优化方案，切换单元包括继电器、继电器驱动电路，继电器的公共端与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，分闸电容组正极与继电器常开点连接，合闸电容组正极与继电器常闭点连接，继电器驱动电路在微控制器驱动检测单元的控制引脚输出低电平时向继电器线圈供电，继电器得电后动作，

所述继电器驱动电路包括：第八、第九、第十电阻，第一光耦，第十二二极管、三极管，第八电阻一端接微控制器驱动检测单元的控制引脚，第八电阻另一端接第一光耦阴极，第一光耦阳极接微控制器驱动检测单元的工作电源，第一光耦发射极与第九电阻一端连接，第九电阻另一端与三极管基极连接，三极管发射极接微控制器驱动检测单元的地，第一光耦集电极、第十二二极管阴极、第十电阻一端均接直流电源，第十二二极管阳极、第十电阻另一端均接三极管集电极，第十电阻并联在继电器线圈的两端子之间。

作为所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置的进一步优化方案，切换单元包括两个功率管、功率管驱动电路，两个功率管的集电极均与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，一个功率管的发射极接分闸电容组正极，另一个功率管的发射极接合闸电容组正极，两个功率管的基极分别与功率管驱动电路的输出端连接，功率开关管驱动电路在微控制器驱动检测单元输出PWM的作用下生成功率开关管的控制信号，

所述功率管驱动电路包括：驱动芯片、第一与非门器件、第二与非门器件、第二光耦，功率管集电极经过外接二极管与驱动芯片检测端脚连接，驱动芯片故障信号输出端与第二光耦发射极连接，驱动芯片正、负电压接入端口之间接有滤波支路，滤波支路为串联连接的两个滤波电容，功率管发射极与两个滤波电容的连接点连接，限流电阻接驱动芯片工作电压源后与第二光耦集电极连接，第二光耦阳极接直流电源，第一与非门器件的两个输入端均与第二光耦阴极连接，第二与非门器件的一个输入端接第一与非门器件输出端，第二与非门器件的另一个输入端接微控制器驱动检测单元控制引脚，第二与非门器件输出端接驱动芯片输入端。

永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置的控制方法，微控制器驱动检测单元以PID控制器实现对分合闸电容器组的恒流充电，利用BP神经网络修正PID参数：用4-5-3结构的BP网络结构训练PID参数：以给定充电电流i₁＝y_ref(k)，实时采样的充电电流i₂＝y_out(k)，电流误差i₃＝i₁-i₂＝error(k),阀值i₄作为BP神经网络输入层节点以比例参数K_p、积分参数K_i、微分参数K_d为BP神经网络输出，以切换单元的控制信号u(k)：

u(k)＝u(k-1)+k_p(error(k)-error(k-1))+k_ierror(k)+k_d(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))为被控对象，

其中，k为取值大于2的采样序号，u(k)、u(k-1)分别为根据第k次、第k-1次采集的充电电流得到的切换单元控制信号，error(k)、error(k-1)、error(k-2)分别为根据第k次、第k-1次、第k-2次采集的充电电流得到的电流误差。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：平滑了充电电流，减小了整流滤波后的交流电直接给合分闸电容充电产生的瞬间电流，确保分合闸电容组稳定的充放电性能，延长了电容使用寿命。利用BP神经网络算法整定PID参数，进而实现合分闸电容的稳定充电。

附图说明

图1为永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置的电路图。

图2为分合闸电容组电压隔离检测电路。

图3为继电器驱动电路。

图4为功率管驱动电路。

图5为分合闸电容组恒流充电的效果波形图。

图6为永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置的框图。

图中标号说明：P1为供电端，FU1为自复保险丝，RV1为压敏电阻，B1为整流桥，RLY1、RLY2为第一、第二继电器，R1、R2为第一、第二电阻，R4至R20为第四至第二十电阻，C1至C19为第一至第十九电容，D1至D9为第一至第九二极管，D12为第十二二极管，D为外接二极管，Q1、Q2、Q3为第一、第二、第三功率开关管，O1至O4为第一至第四光耦，S1为三极管，L1、L2为第一、第二电感，T1为变压器，W1、W3为原边绕组，W2为副边绕组，U1为电流采集芯片，U2A、U2B为第一、第二与非门器件，U3为驱动芯片。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置如图6所示，包括切换单元，恒流充电过程量采集单元，电压检测单元，微控制器驱动检测单元。主回路输出的充电电流经过切换装置向分合闸电容组充电。

主回路如图1所示，包括：整流滤波模块、变压器模块。整流滤波模块包括整流单元、上电限流保护单元以及第一电容C1。整流单元包括：自复保险丝FU1、压敏电阻RV1、整流桥B1。上电限流单元包括：第一继电器RLY1以及第一电阻R1。自复保险丝FU1、压敏电阻RV1串联连接的支路接在供电端P1两端，压敏电阻RV1并接在整流桥B1输入端(2、3端子之间)，第一电阻R1与第一电容C1依次串联连接的支路接在整流桥B1输出端(1、4端子之间)，第一继电器RLY1的公共端(1号端子)与第一电阻R1的一端连接，第一继电器RLY1的常开点(3号端子)与第一电阻R1的另一端连接。自恢复保险丝FU1、压敏电阻RV1起电路过流过压保护作用，第一电容C1为滤波作用。在初始上电时，第一继电器RLY1的公共端(1号端子)与常闭点(2号端子)连接，交流电经整流后向第一电容C1迅速充电，第一电阻R1起限流保护作用，当第一电容C1充电完成(约500ms)时切换第一继电器RLY1的公共端(1号端子)接常开点(3号端子)，短接电阻R1保障了分合闸电容组充电电流足够大。

变压器模块如图1所示，包括：变压器T1，接在变压器副边绕组线圈上的尖峰消除电路。变压器T1，有原边绕组W1、W3，副边绕组W2，原边绕组W3上接有第五二极管D5，副边绕组W2上接有第六二极管D6。尖峰消除电路包括：第二至第四二极管D2-D4，第四、第五电阻R4、R5，第三、第四电容C3、C4，第一电感L1，第二二极管D2阴极、第三二极管D3阴极、第一电感L1一端、第五电阻R5一端分别与变压器副边绕组线圈W2的一端连接，第二二极管D2阳极、第三电容C3一极分别与第四电阻R4一端连接，第三电容C3另一极、第四电阻R4另一端、第四二极管D4阴极分别与第一电感L1另一端连接，第三二极管D3阳极、第五电阻R5另一端分别与第四电容C4一极连接，第四二极管D4阳极、第四电容C4另一极、变压器副边绕组线圈W2另一端接主回路的地。变压器原边绕组W3与第五二极管D5串联连接的支路并联在第一电容C1两极之间，变压器原边绕组W1与第一功率管Q1串联连接的支路并联在第一电容C1两极之间。第一功率管Q1的发射极和集电极之间接有续流保护电路。续流保护电路包括第一二极管D1、第二电阻R2、第二电容C2，第一二极管D1阳极接第一功率管Q1集电极，第二电容C2一极接第一二极管D1阴极，第二电容C2另一极接第一功率管Q1发射极，第二电阻并接在第一二极管D1两极之间。第四电阻R4起限流作用，第一电感L1起储能作用。第一电容C1储存的电能经过变压器转换得到充电电流，尖峰消除电路抑制由于内部的寄生电感或引线间的电感，导致在关断IGBT而产生的过电压和尖峰电流得到平滑的充电电流。

恒流充电过程量采集单元如图1所示，包括：电流采集芯片U1、第五电容C5、第六电容C6。电流采集芯片U1的1、2号端脚并接作为正采集端子，电流采集芯片U1的3、4号端脚并接作为负采集端子，第一电感L1经过第二电感L2后与正采集端子连接。电流采集芯片U1的5号端脚接系统电源VCC，第五电容C5一极接系统电源VCC，第五电容C5另一极接系统电源的地。电流采集芯片U1的6、8号端脚之间接第六电容C6。电流采集芯片U1的6号端脚、第六电容的连接点与微控制器驱动检测单元的AD引脚连接，该连接点输出信号即为分合闸电容组充电电流I CAP。微控制器驱动检测单元的AD引脚即为权利要求1所述微控制器驱动检测单元的电流采集引脚。电流采集芯片U1采用的是ACS711ELCTR-12AB-T芯片，以VCC/2作为基准电压，采集输出电压值VOUT高于VCC/2为正向电流，低于VCC/2为反向电流，偏离基准电压值的敏感度为110mV/A。第五电容C5和第六电容C6起滤波作用。

电压检测单元如图1、图2所示，第六电阻R6、第七电阻R7、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二十电阻R20，第十九电阻R19(调压电阻)，第十七电容C17、第十八电容C18，运算放大器LM324，第三光耦O3、第四光耦O4，第十二极管D10。第六电阻R6一端接恒流充电过程量采集单元的负采集端子，第七电阻R7一端接第六电阻R6另一端，第七电阻R7另一端接主回路的地，第十四电阻R14一端接第六电阻R6、第七电阻R7的连接点，第十四电阻R14另一端、第十七电容C17一极、第十五电阻R15一端分别与第十六电阻R16一端连接，第十七电容C17另一极、第十五电阻R15另一端、第十七电阻R17一端接主回路的地，运算放大器LM324的负输入端(9号端脚)接第十六电阻R16另一端，第十八电容C18一极、第十八电阻R18一端分别与运算放大器LM324输出端(8号端脚)连接，第十八电阻R18另一端与第三光耦O3阳极连接，第三光耦O3阴极与第四光耦O4阳极连接，第三光耦O3集电极接运算放大器LM324工作电源(+5V)，第三光耦O3发射极、第十八电容C18另一极、第十七电阻R17另一端分别与运算放大器LM324的正输入端(10号端脚)连接，第四光耦O4阴极接主回路的地，第四光耦O4发射极接第十九电阻R19一端，第二十电阻R20一端接第十九电阻R19调节端，第二十电阻R20另一端、第十九电容C19一极、第十二极管D10阳极连接后再与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚PA1，第十二极管D10阴极、第四光耦O4集电极分别接+5V直流电源，第十九电阻R19另一端、第十九电容C19另一极均接入微控制器驱动检测单元的地。第十九电容C19与第十二极管D10阳极的连接点与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚PA1连接。恒流充电过程量采集单元在切换单元切换至合闸电容组或者分闸电容组时，串联的第六电阻R6、第七电阻R7将采集的合闸电容组电压或者分闸电容组电压分压后得到分合闸电容组电压U CAP。运算放大器LM324起到隔离补偿作用。第三光耦O3、第四光耦04为参数一致的线性光耦，由于两个光耦输入端串接，其输出电流相同，第三光耦O3输出电流反馈给运算放大器LM324起到光耦内部补偿作用，第四光耦O4输出电流经调压电阻R19的调节转换为微控制器驱动检测单元电压采集引脚PA1的信号，起到电流电压转换的作用。第十四电阻R14、第十五电阻R15构成分压电路。第十六电阻R16、第十八电阻R18为限流电阻。第十九电阻R19防止进入微控制器驱动检测单元的电压采集信号过高，烧坏微控制器端口。

电压检测单元，输入：输出为1：1的关系，起到隔离作用，输入端为高电压达几百伏，输出0～3.3V给单片检测。运算放大器LM324起到隔离补偿作用，线性光耦起到光耦内部补偿和电流电压转换作用。

第十四电阻R14跟第十五电阻R15构成分压电路，第十七电容C17为输入电压滤波，图2所述电路输入端口电压ui：

$\mathrm{ui}=U\_\mathrm{CAP}\frac{R15}{R15+R14}---\left(1\right),$

根据虚短和虚断，运算放大器LM324输入脚9和10的电位相同，所以第三光耦O3的输出电流为：

$t_{o3}=\frac{U\_\mathrm{CAP}\frac{R15}{R15+R14}}{R17}---\left(2\right),$

第十六电阻R16跟第十八电阻R18是限流电阻，第三光耦O3跟第四光耦O4为同一封装内的两光耦，参数完全一致。因输入端电流相同，所以输出端电流相同，即i_o3＝i_o4。

第十九电阻R19的作用为调节作用于微控制器输入端的电压值，防止电压过高，烧坏微控制器端口。所以第十九电阻R19两端电位u_o为：

$u_o=\frac{U\_\mathrm{CAP}\frac{R15}{R15+R14}}{R17}R19---\left(3\right),$

第二十电阻R20跟第十九电容C19构成低通滤波器，滤除高频干扰信号。第十二极管D10起到钳位作用，防止电压过高造成单片机的损坏。

合闸电容组包括并联连接的第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10，分闸电容组包括并联连接的第十一电容C11、第十二电容C12、第十三电容C13、第十四电容C14，分闸电容组阴极连接点、合闸电容组阴极连接点均接入主回路的地。

切换单元包括第二继电器RLY2、如图3所示的继电器驱动电路，第二继电器RLY2的公共端(1号端子)与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，分闸电容组正极(CF+)与继电器常开点(3号端子)连接，合闸电容组正极(CH+)与继电器常闭点(2号端子)连接。继电器驱动电路包括：第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10，第一光耦O1，第十二二极管D12、三极管S1，第八电阻R1一端接微控制器驱动检测单元的控制引脚PC11，第八电阻R8另一端接第一光耦O1阴极，第一光耦O1阳极接微控制器驱动检测单元的工作电源VCC，第一光耦O1发射极与第九电阻R9一端连接，第九电阻R9另一端与三极管S1基极连接，三极管S1发射极接微控制器驱动检测单元的地，第一光耦O1集电极、第十二二极管D12阴极、第十电阻R10一端均接+5V直流电压源，第十二二极管D12阳极、第十电阻R10另一端均接三极管S1集电极，第十电阻R10并联在继电器线圈的两端子4、5之间。第十二二极管D12起续流作用，释放第二继电器线圈存储的电能，当微控制器驱动检测单元的控制引脚输出低电平，第一光耦O1集电极与发射极间导通，三极管S1导通，继电器线圈有电流流过，继电器公共端连接到常开点；当微控制器驱动检测单元的控制引脚输出高电平，第一光耦O1、三极管S1截止，第二继电器公共端与常闭点连接。第一继电器也可用图3所示驱动电路控制公共端与常开点或者常闭点连接。

切换单元还可以通过并联的两个功率管以及如图4所示的功率管驱动电路实现。第二功率管Q2、第三功率管Q3的集电极均与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，第三功率管Q3的发射极接分闸电容组正极(CF+)，第二功率管Q2的发射极接合闸电容组正极(CH+)，两个功率管的基极分别与功率管驱动电路的输出端连接。功率管驱动电路包括：型号为M5762L的驱动芯片U3、第一与非门器件U2A、第二与非门器件U2B、第二光耦O2，功率管集电极经过外接二极管D与驱动芯片U3的检测端脚DET(1号引脚)连接，驱动芯片U3的故障信号输出端Fout与第二光耦O2发射极连接，驱动芯片U3正电压接入端口VCC(4号引脚)、负电压接入端口VEE(6号引脚)之间接有滤波支路，滤波支路为串联连接的两个滤波电容(第十五电容C15、第十六电容C16)，驱动芯片U3正电压接入端口接DC15V，驱动芯片U3负电压接入端口接DC-12V，功率管发射极与两个滤波电容的连接点连接，限流电阻接驱动芯片工作电压源DC15V后与第二光耦O2集电极连接，第二光耦O2阳极接DC15V电压源，第一与非门器件U2A的两个输入端均与第二光耦O2阴极极连接，第二与非门器件U2B的一个输入端接第一与非门器件U2A输出端，第二与非门器件U2B的另一个输入端接微控制器驱动检测单元控制引脚PA7，第二与非门器件U2B输出端接驱动芯片U3输入端IN(13号引脚)。驱动芯片U3输出端out(5号引脚)经过第十三电阻R13后接功率开关管栅极，外接二极管D阴极接功率开关管集电极。在功率开关管栅极、集电极之间接有第八二极管D8、第九二极管D9，具体为第八二极管D8阳极接功率开关管栅极，第八二极管D8阴极接第九二极管D9阴极，第九二极管D9阳极接功率开关管发射极。当电源接通后，首先自检，检测功率开关管是否过载或短路。若过载或短路，功率开关管的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断功率开关管的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平。功率开关管正常时,输入信号经光电耦合接口电路,再经驱动级功率放大后驱动功率开关管。故障时：8脚输出低电平，第二光耦O2导通，第十二电阻R12是光耦输出的限流电阻。第一与非门器件U2A的输入为高电平，则输出为低电平。所以第二与非门器件U2B的一个输入，即5脚为低电平，无论6脚输入的是高电平还是低电平，输出都一定是高电平，功率开关管被关断。直到故障解除。正常时：8脚为高电平，第二光耦O2不导通。第十一电阻R11为下拉电阻。第一与非门器件U2A的输出为高电平，所以第二与非门器件U2B的5脚输入为高电平，则第二与非门器件U2B的输出由其6脚决定，如果第二与非门器件U2B6脚为高电平则的13脚为低电平，所以驱动芯片U3的5脚输出为VCC，即GE两端输出15V电压，功率开关管导通。若第二与非门器件U2B的6脚为低电平，则驱动芯片U3的输出为VEE，即GE两端输出-12V电压，功率开关管关断。第十五电容C15、第十六电容C16为供电电压的滤波电容。第七二极管D7、第八二极管D8、外接二极管D是稳压值为30V的稳压管IN4751。驱动芯片U3的型号为M57962L。

图5是经过以上过程操作截取的分合闸电容组充电恒流效果波形，波形图中纵轴每一大格为200mV，横轴每一大格为2S。可见，本发明通过实时采集充电电流以及合分闸电容电压来控制切换单元动作进而实现合分闸电容的恒流充电，在充电电流产生电路中增加的上电限流电路以及尖峰消除电路平滑了充电电流，减小了整流滤波后的交流电直接给合分闸电容充电产生的瞬间电流，确保分合闸电容组稳定的充放电性能，延长了电容使用寿命；电子开关无缝切换合分闸电容的充电电路。

本发明还提出了一种永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置的控制方法，将BP神经网络确定PID参数的方案运用到合分闸电容恒流充电控制领域来。

微控制器驱动检测单元以PID控制器实现对分合闸电容器组的恒流充电，利用BP神经网络修正PID参数：用4-5-3结构(输入层节点数M＝4和隐含层节点数Q＝5)的BP网络结构训练PID参数：以给定充电电流i₁＝y_ref(k)，实时采样的充电电流i₂＝y_out(k)，电流误差i₃＝i₁-i₂＝error(k),阀值i₄作为BP神经网络输入层节点以比例参数K_p、积分参数K_i、微分参数K_d为BP神经网络输出，以切换单元的控制信号u(k)，如u(k)为10kHz PWM波：

u(k)＝u(k-1)+k_p(error(k)-error(k-1))+k_ierror(k)+k_d(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))为被控对象，

其中，k为取值大于2的采样序号，u(k)、u(k-1)分别为根据第k次、第k-1次采集的充电电流得到的切换单元控制信号，error(k)、error(k-1)、error(k-2)分别为根据第k次、第k-1次、第k-2次采集的充电电流得到的电流误差。

在k＝1时，初始化各层加权系数以及阀值i₄＝1，选定学习速率为0.25和惯性系数为0.05，开始BP神经网络的训练：根据恒流充电过程采集单元每次采集的充电电流确定每次采样确定的BP神经网输入节点，从而确定BP神经网咯的输入训练集，以切换单元控制信号为目标，在线调整调整加权系数和实现PID控制参数的自适应调整，进而实现切换单元控制信号的跟踪，在切换单元控制信号作用下，第二继电器RLY2的公共端1引脚到常闭点2引脚或第二功率开关管Q2给合闸电容组充电或切换到分闸电容组，控制第二继电器RLY2的公共端1到常开点3或第三功率开关管Q3给分闸电容组充电，依据电压检测单元实时检测到的分合闸电容值，以恒定的电流充电到合闸额定电压值。

Claims (7)

1.永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，主回路输出的充电电流经过切换装置向分合闸电容组充电，其特征在于，所述切换装置包括：切换单元、恒流充电过程量采集单元、电压检测单元、微控制器驱动检测单元，

所述恒流充电过程量采集单元的正采集端子与主回路输出端连接，恒流充电过程量采集单元的负采集端子与切换单元的固定端连接，切换单元的活动端分别与分闸电容组正极、合闸电容组正极连接，分闸电容组负极以及合闸电容组负极接主回路的地，电压检测单元的一个采集端子与切换单元固定端连接，电压检测单元的另一个采集端子与主回路的地连接，恒流充电过程量采集单元的输出端与微控制器驱动检测单元的电流采集引脚连接、电压检测单元输出端与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚连接，微控制器驱动检测单元输出端与切换单元的控制端连接；

分闸电容组或者合闸电容组在切换单元动作后接入主回路，电压检测单元采集接入主回路电容组的电压，恒流充电过程量采集单元实时检测主回路输出的充电电流，微控制器驱动检测单元根据接入主回路电容组的电压以及充电电流得到切换单元的控制信号。

2.根据权利要求1所述的永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，其特征在于，所述主回路包括：整流滤波模块、变压器模块，所述整流滤波模块输入端接交流电，所述变压器模块输入端接整流滤波模块输出端，变压器模块输出平滑的充电电流；

其中，所述整流滤波模块包括整流单元、上电限流保护单元以及滤波电容，所述上电限流单元包括：第一电阻一端与接整流单元的一个输出端子，第一继电器公共端、第一电阻另一端均与滤波电容正极连接，第一继电器的常开点与第一电阻的另一端连接，滤波电容负极接整流单元的另一个输出端子；

第一继电器的公共端在初始上电时与常闭点连接，输入交流电经过整流单元、第一电阻向滤波电容充电，第一继电器线圈在滤波电容充电完成后得电动作，第一继电器公共端与常开点连接将第一电阻短接。

3.根据权利要求2所述的永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，其特征在于，所述变压器模块包括：变压器，接在变压器副边绕组线圈上的尖峰消除电路，所述尖峰消除电路包括：第二、第三、第四二极管，第四、第五电阻，第三、第四电容，第一电感，

其中，第二二极管阴极、第三二极管阴极、第一电感一端、第五电阻一端分别与变压器副边绕组线圈的一端连接，第二二极管阳极、第三电容一极均与第四电阻一端连接，第三电容另一极、第四电阻另一端、第四二极管阴极均与第一电感另一端连接，第三二极管阳极、第五电阻另一端均与第四电容一极连接，第四二极管阳极、第四电容另一极、变压器副边绕组线圈另一端均接主回路的地。

4.根据权利要求1或2或3所述的永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，其特征在于，所述电压检测单元包括：第六、第七、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八、第二十电阻，调压电阻，第十七、第十八电容，运算放大器，第三、第四光耦，第十二极管，

其中，第六电阻一端接恒流充电过程量采集单元的负采集端子，第七电阻一端接第六电阻另一端，第七电阻另一端接主回路的地，第十四电阻一端接第六、第七电阻的连接点，第十四电阻另一端、第十七电容一极、第十五电阻一端均与第十六电阻一端连接，第十七电容另一极、第十五电阻另一端、第十七电阻一端均接主回路的地，运算放大器的负输入端接第十六电阻另一端，第十八电容一极、第十八电阻一端分别与运算放大器输出端连接，第十八电阻另一端与第三光耦阳极连接，第三光耦阴极与第四光耦阳极连接，第三光耦集电极接运算放大器工作电源，第三光耦发射极、第十八电容另一极、第十七电阻另一端均与运算放大器正输入端连接，第四光耦阴极接主回路的地，第四光耦发射极接调压电阻一端，第二十电阻一端接调压电阻调节端，第二十电阻另一端、第十九电容一极、第十二极管阳极连接后再与微控制器驱动检测单元的电压采集引脚连接，第十二极管阴极、第四光耦集电极均接直流电源，调压电阻另一端、第十九电容另一极均接入微控制器驱动检测单元的地。

5.根据权利要求4所述的永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，其特征在于：所述切换单元包括继电器、继电器驱动电路，继电器的公共端与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，分闸电容组正极与继电器常开点连接，合闸电容组正极与继电器常闭点连接，继电器驱动电路在微控制器驱动检测单元的控制引脚输出低电平时向继电器线圈供电，继电器得电后动作，

所述继电器驱动电路包括：第八、第九、第十电阻，第一光耦，第十二二极管、三极管，第八电阻一端接微控制器驱动检测单元的控制引脚，第八电阻另一端接第一光耦阴极，第一光耦阳极接微控制器驱动检测单元的工作电源，第一光耦发射极与第九电阻一端连接，第九电阻另一端与三极管基极连接，三极管发射极接微控制器驱动检测单元的地，第一光耦集电极、第十二二极管阴极、第十电阻一端均接直流电源，第十二二极管阳极、第十电阻另一端均接三极管集电极，第十电阻并联在继电器线圈的两端子之间。

6.根据权利要求4所述的永磁真空开关分合闸电容恒流充电切换装置，其特征在于：所述切换单元包括两个功率管、功率管驱动电路，两个功率管的集电极均与恒流充电过程量采集单元的负采集端子连接，一个功率管的发射极接分闸电容组正极，另一个功率管的发射极接合闸电容组正极，两个功率管的基极分别与功率管驱动电路的输出端连接，功率开关管驱动电路在微控制器驱动检测单元输出PWM的作用下生成功率开关管的控制信号，

所述功率管驱动电路包括：驱动芯片、第一与非门器件、第二与非门器件、第二光耦，功率管集电极经过外接二极管与驱动芯片检测端脚连接，驱动芯片故障信号输出端与第二光耦发射极连接，驱动芯片正、负电压接入端口之间接有滤波支路，滤波支路为串联连接的两个滤波电容，功率管发射极与两个滤波电容的连接点连接，限流电阻接驱动芯片工作电压源后与第二光耦集电极连接，第二光耦阳极接直流电源，第一与非门器件的两个输入端均与第二光耦阴极连接，第二与非门器件的一个输入端接第一与非门器件输出端，第二与非门器件的另一个输入端接微控制器驱动检测单元控制引脚，第二与非门器件输出端接驱动芯片输入端。

7.权利要求1至3任意一项所述永磁真空开关分合闸电容恒流充电可切换装置的控制方法，其特征在于，微控制器驱动检测单元以PID控制器实现对分合闸电容器组的恒流充电，利用BP神经网络修正PID参数：用4-5-3结构的BP网络结构训练PID参数：以给定充电电流i₁＝y_ref(k)，实时采样的充电电流i₂＝y_out(k)，电流误差i₃＝i₁-i₂＝error(k),阀值i₄作为BP神经网络输入层节点以比例参数K_p、积分参数K_i、微分参数K_d为BP神经网络输出，以切换单元的控制信号u(k)：

u(k)＝u(k-1)+k_p(error(k)-error(k-1))+k_ierror(k)+k_d(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))为被控对象，

其中，k为取值大于2的采样序号，u(k)、u(k-1)分别为根据第k次、第k-1次采集的充电电流得到的切换单元控制信号，error(k)、error(k-1)、error(k-2)分别为根据第k次、第k-1次、第k-2次采集的充电电流得到的电流误差。