CN104600665A - 实现三相电流独立过零关断的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现三相电流独立过零关断的控制方法，包括以下步骤：在三相交流负载电路中，将三个N沟道绝缘栅场效应管作为固态功率开关，使得三相触发回路完全独立，以模拟电路和数字电路相结合运算出电流的过零关断逻辑，输出至三个独立的N沟道绝缘栅场效应管的驱动电路，再由驱动电路输出暂态直流高电压，该三相电流是三个独立的模拟通道，转换成数字信号时采用三个A/D转换器同时转换，三相N沟道绝缘栅场效应管也完全独立；本发明能够显著降低导通压降和功率损耗，从而实现了交流电流过零关断的控制方法，克服了原先的三相同时触发的弊端，显著降低了每相真空管功率损耗，消除电磁干扰。

Description

实现三相电流独立过零关断的控制方法

[技术领域]

本发明涉及交流电流负载电路中开关控制技术领域，具体地说是一种实现三相电流独立过零关断的控制方法。

[背景技术]

传统的交流配电系统中，采用触点式开关，机械式断路器串联在供电回路中实现电能分配。机械式触点部件经常动作形成机械磨损，触点经常开断较大的电流形成了弧光，影响开关的寿命。而且，在接通和关断负载回路的瞬间，由于电压和电流突变产生的电弧容易烧蚀触点，造成电磁干扰，增大通态电阻，使开关本身发热量增加，影响用电设备的可靠性。有效的办法是采用电流过零分断的机构替代机械触点式配电开关，避免了在大电流情况下触点拉弧的现象产生，显著延长了工作寿命。目前采用较多晶闸管作为交流固态功率开关，虽然晶闸管开通快，可实现过零触发，但工作频率低、关断时间较长，特别是在回路电流很大的情况下，如短路状态下，仍需等到过零触发，流过晶闸管的电流持续时间过长，容易造成热损伤，另一方面，晶闸管的导通压降较大，高电压系统中不适用，自身散热要求高。

目前最先进的办法是采用以功率MOSFET为基础控制永磁断路器来克服晶闸管的缺点，功率MOSFET是一种以栅源极间电压控制漏源极间电流来驱动双稳态永磁线圈触发真空管的功率元件，随着功率MOSFET制造工艺快速发展，器件在满足通流量的情况下导通电阻可低至几毫欧，可显著降低导通压降和功率损耗。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种实现三相电流独立过零关断的控制方法，能够显著降低导通压降和功率损耗，从而实现了交流电流过零关断的控制方法，克服了传统技术上所存在的不足。

为实现上述目的设计一种实现三相电流独立过零关断的控制方法，包括以下步骤：在三相交流负载电路中，将三个N沟道绝缘栅场效应管作为固态功率开关，使得三相触发回路完全独立，以模拟电路和数字电路相结合运算出电流的过零关断逻辑，输出至三个独立的N沟道绝缘栅场效应管的驱动电路，再由驱动电路输出暂态直流高电压。

所述模拟电路包括负载电流隔离交换、三相电流的跟随降压和模拟转数字电路。

所述数字电路包括A/D转换结果的FFT运算，三相电流通道的实部、虚部、模值运算，三相电流A/D采样点的复原电流波形以及过零位置捕捉。

三相电流是三个独立的模拟通道，转换成数字信号时采用三个A/D转换器同时转换，三相N沟道绝缘栅场效应管也完全独立。

三相电流是判断交流信号的相位过零时机的基本元素，根据工频频率推导出同期为20ms，采样问题越小则复原模拟电流的波形越逼真，利用过零捕捉处理器捕捉到触发N沟道绝缘栅场效应管的时机越精准，采用每周波采样48点的技术,采样间隔为0.417MS,波形的理论上的复原时间误差为417US。

控制三相N沟道绝缘栅场效应管是由三个独立的微处理器控制，三个独立的微处理器分别与过零捕捉处理器相互联系，三个独立的处理器之间完全等效但无任何联系，三个独立的微处理器受过零捕捉处理器控制。

三相电流的模值与设定的阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即触发三个N沟道绝缘栅场效应管，输出三个暂态直流高电压供永磁机构脱扣分离使用。

所述N沟道绝缘栅场效应管采用的是功率MOSFET，所述功率MOSFET的G极设置了双阀值触发电路。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

(1)三相机构的触发回路完全独立，相互之间无任何关联，克服了原先的三相同时触发的弊端，显著降低了每相真空管功率损耗，消除电磁干扰；

(2)显著降低导通压降和功率损耗，能够实现交流电流过零关断的控制方法，克服技术上存在的不足；

(3)由于输出至三个独立的N沟道绝缘栅场效应管控制的暂态直流高电压，暂态的直流高电压驱动的是三个独立的永磁机构，永磁机构断开的时间固定不变，软件可以调整输出至三个独立的N沟道绝缘栅场效应管的时间，两个时间的加和就是从过零点到机构真正断开的时间，此时间是10MS整倍数，为了达到机构快速动作，本发明的倍数取值为1。

[附图说明]

图1是本发明中三个独立的N沟道绝缘栅场效应管控制电路图一；

图2是本发明中三个独立的N沟道绝缘栅场效应管控制电路图二；

图3是本发明中三个独立的N沟道绝缘栅场效应管控制电路图三；

图4是图1中N沟道绝缘栅场效应管动作的控制时间示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

本发明具体涉及的是一种在交流配电系统中，三相对称电路或者非对称电路均适用，运用功率MOSFET实现电流过零关断的控制方法。本发明公开了实现三相电流独立过零关断的控制原理，其方法是在三相交流负载电路中，将完全由软件控制导通三个电阻非常小的N沟道绝缘栅场效应管作为固态功率开关，三相触发回路完全独立，以模拟电路和数字电路相结合运算出电流的过零关断逻辑，输出至N沟道绝缘栅场效应管的驱动电路，再由驱动电路输出暂态直流高电压，其幅值取决于永磁机构线圈功率大小，从而实现真正意义上的三相电流过零关断。三相机构的触发回路完全独立，相互之间无任何关联，克服了原先的三相同时触发的弊端，显著降低了每相真空管功率损耗，消除电磁干扰。

本发明中，模拟电路包括负载电流隔离交换、三相电流的跟随降压和模拟转数字电路。数字电路包括A/D转换结果的FFT运算，三相电流通道的实部、虚部、模值运算，三相电流A/D采样点的复原电流波形以及过零位置捕捉。N沟道绝缘栅场效应管采用的是功率MOSFET，功率MOSFET G极设置了双阀值触发电路，防止MOSFET管误触发，增强过零关断的整体可靠性。

三相电流是判断交流信号的相位过零时机的基本元素，根据工频频率推导出同期为20ms，采样问题越小则复原模拟电流的波形越逼真，捕捉到触发N沟道绝缘栅场效应管的时机越精准，采用每周波采样48点的技术,采样间隔为0.417MS,波形的理论上的复原时间误差为417US,完全在我们的误差控制范围内,对机构的功率损耗最小。该三相电流是三个独立的模拟通道，转换成数字信号时采用三个A/D转换器同时转换，保证三相电流的相位鉴别不出现任何时差，三相N沟道绝缘栅场效应管也完全独立。

控制三相N沟道绝缘栅场效应管是由三个独立的微处理器控制，三个独立的微处理器分别与权利要求2所述的过零捕捉处理器相互联系，三个独立的处理器之间完全等效但无任何联系，三个独立的微处理器受过零捕捉处理器控制。该三相电流的模值与设定的阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即触发三个N沟道绝缘栅场效应管，输出三个暂态直流高电压供永磁机构脱扣分离使用。

如附图1至附图3所示，KO_FZ，KO_FZ1，KO_FZ2是触发的三个独立的N沟道绝缘栅场效应管控制管脚，KO_FZ，KO_FZ1，KO_FZ2是分别受控于微处理器STC11F02E的，三个微处理器相互独立之间不存在任何关联的地方，三套电路完全相同。以下选择其中之一进行讲述：如，以KO_FZ标号为例，当KO_FZ输出高电平，U7-PC817C光耦不会动作，Q5是PNP 9012三极管，依靠PNP 9012三极管的特性，Q5D的CE导通，Q6N沟道绝缘栅场效应管门极G极被可靠的拉在GND，N沟道绝缘栅场效应管禁止动作，FZXQ-和C-之间不会导通，FZXQ+是分闸线圈的正极，连接的电容的正极，FZXQ-和C-之间不会导通也就是分闸线圈上面无法加载直流电压，也就是说分闸线圈无法动作；当KO_FZ输出低电平，U7-PC817C光耦会被导通，Q4是NPN 9013三极管，依靠NPN 9013三极管的特性，Q4导通，Q5三极管截止，Q6N沟道绝缘栅场效应管门极G极被触发，N沟道绝缘栅场效应管动作，FZXQ-和C-之间会导通，FZXQ+是分闸线圈的正极，连接的电容的正极，分闸线圈上面加载直流电压，也就是说分闸线圈动作，机构可以顺利的切断电流，机构的动作时间和施加的直流电压有直接关系，N沟道绝缘栅场效应管动作的时间直接和KO_FZ为低电平的保持时间有关系，微处理器STC11F02E控制KO_FZ为低电平的时间，软件上面的控制时间为20MS，具体的参考附图4。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：在三相交流负载电路中，将三个N沟道绝缘栅场效应管作为固态功率开关，使得三相触发回路完全独立，以模拟电路和数字电路相结合运算出电流的过零关断逻辑，输出至三个独立的N沟道绝缘栅场效应管的驱动电路，再由驱动电路输出暂态直流高电压。

2.如权利要求1所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：所述模拟电路包括负载电流隔离交换、三相电流的跟随降压和模拟转数字电路。

3.如权利要求1所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：所述数字电路包括A/D转换结果的FFT运算，三相电流通道的实部、虚部、模值运算，三相电流A/D采样点的复原电流波形以及过零位置捕捉。

4.如权利要求1、2或3所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：三相电流是三个独立的模拟通道，转换成数字信号时采用三个A/D转换器同时转换，三相N沟道绝缘栅场效应管也完全独立。

5.如权利要求4所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：三相电流是判断交流信号的相位过零时机的基本元素，根据工频频率推导出同期为20ms，采样问题越小则复原模拟电流的波形越逼真，利用过零捕捉处理器捕捉到触发N沟道绝缘栅场效应管的时机越精准，采用每周波采样48点的技术,采样间隔为0.417MS,波形的理论上的复原时间误差为417US。

6.如权利要求5所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：控制三相N沟道绝缘栅场效应管是由三个独立的微处理器控制，三个独立的微处理器分别与过零捕捉处理器相互联系，三个独立的处理器之间完全等效但无任何联系，三个独立的微处理器受过零捕捉处理器控制。

7.如权利要求6所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：三相电流的模值与设定的阀值比较，若超出阀值则立即产生短路信号指示立即触发三个N沟道绝缘栅场效应管，输出三个暂态直流高电压供永磁机构脱扣分离使用。

8.如权利要求7所述的实现三相电流独立过零关断的控制方法，其特征在于：所述N沟道绝缘栅场效应管采用的是功率MOSFET，所述功率MOSFET的G极设置了双阀值触发电路。