CN104466974B - 基于分相控制技术的组合式同步开关 - Google Patents

基于分相控制技术的组合式同步开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于分相控制技术的组合式同步开关。包括单极开关数字控制单元组及与该单极开关数字控制单元组连接的用于调节所述单极开关数字控制单元组输出脉宽的脉宽调节单元、消磁回路单元和用于检测线圈、触头的电压及电流的检测单元；还包括一用于为整个控制系统供电的电源单元。本发明的各单极开关数字控制单元具有相互监测、各极协调和过程控制功能，实现了各相电路的零电压吸合与零电流分断控制，形成一种全新的组合式同步开关。

Description

基于分相控制技术的组合式同步开关
技术领域
本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种基于分相控制技术的组合式同步开关。
背景技术
开关电器广泛应用在电网系统和电力拖动中，涉及工业、农业、生活等领域，直接影响国民经济发展和人们的正常生活。随着微处理器技术和电力电子技术的迅猛发展，智能控制技术在电器领域中广泛应用，开关电器的各项性能指标得到了全面改善，提高了供电可靠性、稳定性，但要实现高度的智能化还有许多工作要做。
交流开关电器种类繁多、工作原理各异、控制对象差别很大。如在关合电容器、空载变压器等负载时，常常产生过电压和涌流，降低了电能质量，造成电气设备绝缘损坏、故障，引起保护电器误动作，影响系统的安全性和可靠性；分断感性电路时电弧能量很大，直接影响电器的电寿命、通断能力，甚至产生熔焊；分闸操作时出现的暂态过程还可能对电力设备的绝缘产生破坏。对于量大面广的交流开关电器来说，其交流电源随时间变化的特性，将给开关电器带来许多不确定因素。如交流接触器、断路器的合分闸相位的随机性；电磁机构控制电源合闸相角的随机性；三相电路的各相差异性等等，都给电器的智能化控制带来困难。同步相位控制技术可以有效解决以上问题，成为近年来开关智能化的研究热点之一。其实质就是控制开关在电压或电流的期望相位完成合闸或分闸动作，以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，提高开关的开断能力。在实现配电终端的智能化，提高供电的可靠性和稳定性，改善供电质量，提高企业的经济效益和社会效益等方面具有重要的意义。
同步控制技术在中高压断路器中，受到了国内外很大关注。20世纪90年代，随着高压开关及其操动机构制造水平的不断提高和微电子自动控制技术的进步，同步开关技术日益成为现实，并得到了广泛应用：(1)在电抗器应用方面，加拿大的魁北克水电公司在735kV系统，实现对并联电抗器的同步操作减少合闸涌流和消除重燃过电压；日本电力部门成功地将同步操作应用于275kV和500kV系统的电抗器开断，防止分闸重燃，实现过电压抑制和降低电抗器绝缘水平要求。2004年，大唐陕西韩城第二发电公司为了降低涌流、过电压等，引进Alstom公司的选相投切装置RPH2。目前运行良好。(2)在空载线路应用方面，1995年加拿大电力部门在魁北克州装有并联补偿电抗器的500kV等级输电线路上，应用同步开关技术减少快速重合闸时产生的操作过电压；在我国的大朝山500kV输电线路，使用ABB公司的同步开关CAT，将合闸和快速重合闸过电压抑制到1.3p.u.以下。1998年，中国第一次为500kV/350Km空载输电线安装同步投切装置，将过电压限制在2p.u.以下；(3)在空载变压器应用方面，2002年匈牙利将同步开关技术应用于132kV/15kV，155MVA的空载变压器的同步关合和切除，减少合闸涌流和过电压；法国图卢兹变电站对320kV/13.8kV，315MVA的空载变压器实现同步关合，减少合闸涌流。(4)在电容器组应用方面，2000年，长春市500/220/66kV变电站选相投切66KV电抗器与电容器，将过电压限制在1.3p.u.以下；2003年，120kV等级的背靠背电容器组同步投切装置成功地在加拿大蒙特利尔的Notre-Dame变电站运行。而日本三菱公司对121kV电压等级的并联电容器组实现同步关合和同步切除，用以减少合闸涌流和消除分闸重燃过电压，从而提高系统可靠性和电能质量。同步开关可广泛应用于多种场合，具有很广阔的应用和发展前景。
同步开关的关键是三相触头的同步操作，但电力系统三相交流电的相位互成120°，传统交流开关电器受结构限制，三相触头不可能都在期望的电压、电流相位完成合、分闸。想要解决多相交流控制开关的同步控制问题，就必须引入分相控制与组合式开关技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有效率高、速度快、抗干扰能力强等特点，且实现了各相电路的零电压吸合与零电流分断控制的基于分相控制技术的组合式同步开关。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于分相控制技术的组合式同步开关，包括单极开关数字控制单元组及与该单极开关数字控制单元组连接的用于调节所述单极开关数字控制单元组输出脉宽的脉宽调节单元、消磁回路单元和用于检测线圈、触头的电压及电流的检测单元；还包括一用于为整个控制系统供电的电源单元；所述单极开关数字控制单元组包括第1至第N单极开关数字控制单元；所述第1至第N单极开关数字控制单元均包括数字控制芯片及与该数字控制芯片连接的并用于判断各单极开关工作状态的多极开关工作状态判断模块和隔离电路，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端分别连接至所述第1至第N单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端还分别经所述第1至第N单极开关数字控制单元的的隔离电路连接至其余单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端；其中，N为自然数且N≥2。
在本发明实施例中，所述电源单元包括第1至第N电源模块，所述第1至第N电源模块均包括交直流电源及与该交直流电源连接的整流滤波模块和用于为系统中需供电器件提供电能的开关电源。
在本发明实施例中，所述脉宽调节单元包括第1至第N脉宽调节模块，且该N个脉宽调节模块的电路结构相同；所述第1脉宽调节模块包括第一功率开关管和用于驱动该第一功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第一驱动电路；所述第一功率开关管的输入端连接至所述第1电源模块的整流滤波模块，所述第一开关管的输出端连接至所述消磁回路单元。
在本发明实施例中，所述消磁回路单元包括第1至第N消磁回路，且该N个消磁回路的电路结构相同；所述第1消磁回路包括第二功率开关管、用于驱动该第二功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第二驱动电路、续流电路、瞬态抑制二极管和激励线圈，所述第二功率开关管的输入端经所述续流电路分别与所述第1脉宽调节模块的第一功率开关管的输出端和激励线圈的输入端连接，所述第二功率开关管的输出端连接至地，所述第二功率开关管的输入端和输出端还并联连接所述瞬态抑制二极管；所述激励线圈的输出端连接至所述检测单元。
在本发明实施例中，所述检测单元包括第1至第N检测模块，且该N个检测模块的电路结构相同；所述第1检测模块包括分别连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的触头电压检测模块、触头电流检测模块、线圈电压检测模块和线圈电流检测模块，所述线圈电压检测模块还连接至所述第1电源模块的交直流电源，所述线圈电流检测模块还与所述激励线圈的输出端及地连接。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）采用分极单相控制的理念，实现了交流多相电路的零电压吸合、零电流分断控制。采用分相控制技术实现了多极开关的同步控制，每一极开关完全独立，分别由一个智能模块和单极开关本体构成，智能控制模块具有相互监测、各极协调和过程控制功能，实现了各相电路的零电压吸合与零电流分断控制，形成一种全新的组合式同步开关。
（2）各单极开关之间采用门电路作为同步信号发生模块的设计电路，用于判断多极开关各自的工作状态，具有效率高、速度快、抗干扰能力强等特点。避免了采用通信模式所带来的成本高、通信时间长、设计复杂、容易受到各种干扰等问题。
（3）将数字信号处理技术用于开关的智能控制中，数据处理速度和精度得到明显的提高，减少了外围电路、简化了硬件设计，减小了硬件电路的成本和体积；布线简单，电磁干扰相对较小，不易受到器件老化、环境或参数变化的影响，稳定可靠，控制能力强、灵活性高、通用性好。
（4）吸合过程的分段电流闭环控制思路，有效的减小了电源电压对控制过程的影响，对实现零电压吸合控制，具有重要意义，解决了由于电压波动所造成的吸合时间分散性的问题。
（5）采用了软件检零方法，有效的提高了检零的准确性和检零速度。采用数字平均滤波的方法：设定采样频率，检测传感器输出信号，对n个连续采样值进行平均滤波处理，去掉最大值和最小值，剩下值取平均，将平均值与传感器额定输出比较，判断触头电压、电流是否处于零点。此方法滤波效果、抗干扰性能好、零点误差小、适应范围大。
附图说明
图1为本发明控制原理框图。
图2为本发明零电压吸合控制过程示意图。
图3为本发明零电流分断控制过程示意图。
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。
本发明一种基于分相控制技术的组合式同步开关，包括单极开关数字控制单元组及与该单极开关数字控制单元组连接的用于调节所述单极开关数字控制单元组输出脉宽的脉宽调节单元、消磁回路单元和用于检测线圈、触头的电压及电流的检测单元；还包括一用于为整个控制系统供电的电源单元；所述单极开关数字控制单元组包括第1至第N单极开关数字控制单元；所述第1至第N单极开关数字控制单元均包括数字控制芯片及与该数字控制芯片连接的并用于判断各单极开关工作状态的多极开关工作状态判断模块和隔离电路，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端分别连接至所述第1至第N单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端还分别经所述第1至第N单极开关数字控制单元的的隔离电路连接至其余单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端；其中，N为自然数且N≥2。
所述电源单元包括第1至第N电源模块，所述第1至第N电源模块均包括交直流电源及与该交直流电源连接的整流滤波模块和用于为系统中需供电器件提供电能的开关电源。
所述脉宽调节单元包括第1至第N脉宽调节模块，且该N个脉宽调节模块的电路结构相同；所述第1脉宽调节模块包括第一功率开关管和用于驱动该第一功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第一驱动电路；所述第一功率开关管的输入端连接至所述第1电源模块的整流滤波模块，所述第一开关管的输出端连接至所述消磁回路单元。所述消磁回路单元包括第1至第N消磁回路，且该N个消磁回路的电路结构相同；所述第1消磁回路包括第二功率开关管、用于驱动该第二功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第二驱动电路、续流电路、瞬态抑制二极管和激励线圈，所述第二功率开关管的输入端经所述续流电路分别与所述第1脉宽调节模块的第一功率开关管的输出端和激励线圈的输入端连接，所述第二功率开关管的输出端连接至地，所述第二功率开关管的输入端和输出端还并联连接所述瞬态抑制二极管；所述激励线圈的输出端连接至所述检测单元。
所述检测单元包括第1至第N检测模块，且该N个检测模块的电路结构相同；所述第1检测模块包括分别连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的触头电压检测模块、触头电流检测模块、线圈电压检测模块和线圈电流检测模块，所述线圈电压检测模块还连接至所述第1电源模块的交直流电源，所述线圈电流检测模块还与所述激励线圈的输出端及地连接。
以下为本发明的工作原理。
如图1所示，图中，P为交直流电源，Z为整流滤波模块，S为开关电源，U1为线圈电压检测模块，CU为触头电压检测模块，CI为触头电流检测模块，SKXP1为本单极开关的数字控制系统，SKXPN为其他单极开关的数字控制系统，Q1为开关管1，B1为驱动电路1，Q2为开关管2，B2为驱动电路2，D1为续流电路，D2为瞬态抑制电路，X为激磁线圈，DD为接地端，XC为线圈电流检测模块，QT为本单极开关的多极开关工作状态判断模块，TB1为本单极开关的开关工作信号，QTN为其他单极开关的多极开关工作状态判断模块，TBN为其他单极开关的开关工作信号，G1为隔离电路1，GN为隔离电路N。其中，U1、CU、CI、XC可采用电流及电压互感器或其他检测电流及电压的装置。
交直流电源P经整流滤波模块Z后，变为平稳的直流；开关电源S，为电路中需要供电的器件提供所需电能；激磁线圈的线圈电压检测模块U1，用于检测开关是否得电；触头电压检测模块CU，用于检测触头电压值，根据此电压值判断触头系统电压的零点，然后，进行零电压吸合过程控制；触头电流检测模块CI，用于检测触头系统电流的零点，实现开关的零电流分断控制；本单极开关的数字控制系统SKXP1为采用数字芯片的单片机控制系统，数字信号处理系统具有速度快、精度高、功能强、控制灵活、通用性好、抗干扰能力强等特点；根据单极开关的数量，确定数字芯片的个数，如有N个单极开关，则第N个单极开关的数字控制系统为SKXPN，每个单极开关的控制原理相同；Q1为功率开关管1，由数字控制系统SKXP1通过驱动电路B1进行控制，调整激磁电流的大小；Q2为功率开关管2，由数字控制系统SKXP1通过驱动电路B2进行控制，调整去磁回路的工作状态；D1为续流电路，在开关管Q1截止阶段起作用；D2为瞬态抑制二极管，用于吸收反向瞬态能量，恢复时间短、反应速度快、寿命长，可以起到快速消磁作用；X为激磁线圈；在激磁线圈和地之间，通过线圈电流检测模块XC，获取线圈电流信号，作为电流闭环的电流值；QT至QTN为多极开关工作状态判断模块，该模块具有或门性质，通过逻辑判断进行多极开关之间的工作状态判据，其中一路输入为本单极开关的工作信号TB1，符合吸合条件时，该信号为“0”，同时，该信号通过隔离电路G1，送入其他单极开关的多极开关工作状态判断模块，其他单极开关的开关工作信号TBN也通过隔离电路GN送入本单极开关的多极开关工作状态判断模块QT，进行其他开关工作状态的判据，当组合开关的工作状态信号均为“0”时。说明所有单极开关均处于工作状态，此时多极开关工作状态判断模块QT输出为“0”，开关进行吸合过程控制，完成零电压吸合。如果其中任何一台单极开关处于释放状态，即多极开关工作状态判断模块中有一路输入变为“1”，则多极开关工作状态判断模块QT输出高电平“1”，产生中断信号，数字控制系统SKXP1发出断电信号，开关进入分断控制程序，实现零电流分断控制。
工作过程如下：
1、吸合阶段：零电压吸合过程时序如图2所示。线圈输入电压在t0时刻上电，开关电源得电后各电路开始工作，数控芯片各模块初始化，并将本单极开关的工作信号TB1置1，发送至本单极和其他极开关的多极开关工作状态判断模块。当线圈输入电压检测电路U1检测到电压在吸合电压范围内时，TB1信号置“0”，同时，检测其余各单极开关的工作信号，t1时刻，各单极开关均满足吸合条件，QT1至QTN模块的输入均为“0”，各单极开关在同一时刻发出合闸指令。随后各单极开关的触头电压检测模块开始实时监测电压零点作为时间参考点，检测到电压零点后，延时td，发出激磁线圈合闸信号，数字控制系统SKXP1开始控制交流电磁机构闭环起动，PWM控制方式选择开/关控制模式，开/关控制模式通过将芯片内的定时器分为多段控制，每一段都设一个基准值，当采样值大于该基准值时，输出占空比为0%的PWM信号，关断开关管，如果采样值小于基准值，则输出占空比为100%的PWM信号，实现开关吸合过程控制。
线圈输入电压大小，对线圈电流变化斜率影响很大，使得不同电压下，吸合时间存在较大差异。而电流稳定在参考值时，通过闭环斩波控制可以消除输入电压变化的影响。触动阶段设定多个电流参考值，使线圈电流逐渐上升。在保证最小输入电压时，线圈电流均能达到每段参考值的情况下，可适当增加段数。通过电流闭环控制，设计合理的线圈电流特性，选择合适滤波电容，可改善输入电压、环境温度对组合开关动态过程的影响，提高机构动作一致性。
经过电磁机构的固有动作时间Tc后，动、静触头在电压零点吸合，实现零电压吸合过程控制。
2、吸持阶段：吸合过程结束后，开关转入吸持控制程序。此时，通过设定PWM工作频率和占空比，实现电流闭环控制，维持线圈电流的动态恒定，将线圈电流维持在一个低值范围内，同时又保证了斩波频率。具有吸持功耗小、受环境因素影响小、控制电压变化影响小等特点，具有良好的稳定性和抗干扰能力。
分断阶段：零电流分断过程时序如图3所示。t2时刻为外部断电指令发出时刻，当输入线圈电压检测模块U1检测到电源电压低于释放电压时，工作信号TB1置1，该信号发送至本极和其他单极开关的多极开关工作状态判断模块，各单极开关多极开关工作状态判断模块输出均跳转为“1”，产生电平变化中断，t3时刻同时发出同步分闸指令。随后各单极开关通过触头电流检测模块CI,开始实时监测各自触头系统的电流零点，检测到触头电流零点后，延时te，通过驱动电路B1，断开开关管Q1，同时通过驱动电路B2，断开开关管Q2，起动负压施加回路。经过机构的固有动作时间To后，动静触头在设定的电流零点前断开，实现零电流分断控制。
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 (5)

1.一种基于分相控制技术的组合式同步开关，其特征在于：包括单极开关数字控制单元组及与该单极开关数字控制单元组连接的用于调节所述单极开关数字控制单元组输出脉宽的脉宽调节单元、消磁回路单元和用于检测线圈、触头的电压及电流的检测单元；还包括一用于为整个控制系统供电的电源单元；所述单极开关数字控制单元组包括第1至第N单极开关数字控制单元；所述第1至第N单极开关数字控制单元均包括数字控制芯片及与该数字控制芯片连接的并用于判断各单极开关工作状态的多极开关工作状态判断模块和隔离电路，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端分别连接至所述第1至第N单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端，所述第1至第N单极开关数字控制单元的数字控制芯片的单极开关工作信号输出端还分别经所述第1至第N单极开关数字控制单元的隔离电路连接至其余单极开关数字控制单元的多极开关工作状态判断模块的输入端；其中，N为自然数且N≥2。
2.根据权利要求1所述的基于分相控制技术的组合式同步开关，其特征在于：所述电源单元包括第1至第N电源模块，所述第1至第N电源模块均包括交直流电源，及与该交直流电源连接的整流滤波模块，与该交直流电源连接且用于为整个控制系统中需供电器件提供电能的开关电源。
3.根据权利要求2所述的基于分相控制技术的组合式同步开关，其特征在于：所述脉宽调节单元包括第1至第N脉宽调节模块，且该N个脉宽调节模块的电路结构相同；所述第1脉宽调节模块包括第一功率开关管和用于驱动该第一功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第一驱动电路；所述第一功率开关管的输入端连接至所述第1电源模块的整流滤波模块，所述第一开关管的输出端连接至所述消磁回路单元。
4.根据权利要求3所述的基于分相控制技术的组合式同步开关，其特征在于：所述消磁回路单元包括第1至第N消磁回路，且该N个消磁回路的电路结构相同；所述第1消磁回路包括第二功率开关管、用于驱动该第二功率开关管开断且连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的第二驱动电路、续流电路、瞬态抑制二极管和激励线圈，所述第二功率开关管的输入端经所述续流电路分别与所述第1脉宽调节模块的第一功率开关管的输出端和激励线圈的输入端连接，所述第二功率开关管的输出端连接至地，所述第二功率开关管的输入端和输出端还并联连接所述瞬态抑制二极管；所述激励线圈的输出端连接至所述检测单元。
5.根据权利要求4所述的基于分相控制技术的组合式同步开关，其特征在于：所述检测单元包括第1至第N检测模块，且该N个检测模块的电路结构相同；所述第1检测模块包括分别连接至所述第1单极开关数字控制单元的数字控制芯片的触头电压检测模块、触头电流检测模块、线圈电压检测模块和线圈电流检测模块，所述线圈电压检测模块还连接至所述第1电源模块的交直流电源，所述线圈电流检测模块还与所述激励线圈的输出端及地连接。
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