CN106229180B - 一种无弧开关自适应控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无弧开关自适应控制系统及其控制方法，该控制系统包括相互相连的电磁系统与触头系统，所述电磁系统包括微处理器、第一电源、整流滤波模块、线圈电压检测模块、线圈电流检测模块、开关电源、第一开关管、第二开关管、第一功率驱动模块、第二功率驱动模块、续流二极管、激磁线圈、钳位电路；所述触头系统包括第二电源、触头电流检测模块、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率驱动模块、第四功率驱动模块、触头电压检测模块、主触头、过电压抑制能量吸收回路、负载、电感、电容。本发明实现了触头系统的交直流通用，自适应无弧控制，以及电磁系统的交直流通用、节能无声运行。

Description

一种无弧开关自适应控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电磁开关领域，特别是涉及一种无弧开关自适应控制系统及其控制方法。

背景技术

开关电弧作为开关在通断电路中的必然现象，得到广泛的关注。由于直流电流没有自然过零点，导致直流电弧比交流电弧更难熄灭，因此，造成了同等容量直流电磁开关具有比交流电磁开关体积大、损耗高、寿命短等缺陷。

随着新能源技术的快速发展，直流电磁开关的需求越来越多，被广泛应用于光伏发电、风力发电、轨道交通、充电桩、船舶、航天航空等领域，对其可靠性及使用寿命有着越来越高的要求。目前，国内外生产直流电磁开关尤其是大容量直流电磁开关的厂家较少，同时由于直流电磁开关的缺陷，导致直流电磁开关的发展和应用受到了一定的限制。

交流电磁开关属于量大面广的开关电器，涉及国民经济的各个领域。随着微处理器技术、电力电子技术以及通讯技术的广泛发展，交流电磁开关的智能控制技术日益成熟，极大提高了交流电磁开关的各项性能指标并拓宽了其应用领域。

交流电磁开关的智能化控制技术，主要体现在电磁系统的运动过程智能控制和触头系统的无弧定相吸合与分断技术中。电磁系统的闭环控制技术可以实现交流电磁机构的宽电压吸合、交直流通用、节能无声运行功能，可以方便的构成交直流通用的电磁系统。而交流电磁开关的混合式无弧控制技术结合了电力电子开关，实现在触头合闸与分闸过程中由电子开关通断电路的控制模式，实现无弧接通与分断电路。使得采用交流电磁开关本体，配合智能控制模块，实现触头系统的交直流通用成为可能。

多年来，如何快速有效的熄灭直流电弧，是电器工作者一直努力研究的课题，近年有了长足的进展。目前，直流灭弧技术应用较为广泛的主要也是混合式开关技术，以及人工强迫过零技术。混合式开关技术可应用于直流电磁开关的整个动作过程，但是其分断阶段受制于电弧电压以及支路电感的影响，导致分断时间较长。人工强迫过零技术只适用在直流分断过程，速度快，灭弧效果好。两种技术各有特点，但是单一技术要想兼顾直流电磁开关的整个动作过程尚存不足。若将两种技术结合应用，既能满足灭弧的快速性又能兼顾整个动作过程。受益于灭弧手段的应用，本设计拟将交直流智能开关的灭弧技术巧妙融合，使用交流电磁开关本体，配合智能控制模块，形成一种自适应无弧开关。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无弧开关自适应控制系统及其控制方法，实现了电磁开关触头系统对交直流电源的自适应无弧动作和电磁系统交直流输入、节能无声运行，以及触头系统和电磁系统的全闭环控制。

本发明采用以下方案实现：一种无弧开关自适应控制系统，包括相互相连的电磁系统与触头系统，所述电磁系统包括微处理器、第一电源、整流滤波模块、线圈电压检测模块、线圈电流检测模块、开关电源、第一开关管、第二开关管、第一功率驱动模块、第二功率驱动模块、续流二极管、激磁线圈、钳位电路；所述整流滤波模块用以将所述第一电源提供的电源变为平稳的直流电源，所述线圈电压检测模块用以检测电磁系统的电压值，所述线圈电流检测模块用以检测所述激磁线圈的电流大小，所述微处理器通过控制第一开关管和第二开关管的状态，调节所述激磁线圈电流的大小；所述触头系统包括第二电源、触头电流检测模块、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率驱动模块、第四功率驱动模块、触头电压检测模块、主触头、过电压抑制能量吸收回路、负载、电感、电容；所述触头电流检测模块用以检测所述主触头的电流大小，所述触头电压检测模块用于检测第二电源的类型及电源大小。

进一步地，所述电磁系统中，所述第一电源的第一端与所述整流滤波模块的一端相连，所述第一电源的第二端与所述线圈电压检测模块的一端相连，所述第一电源的第三端与开关电源的一端相连，所述整流滤波模块的另一端与所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述第一功率驱动模块的一端相连，所述第一开关管的第三端同时与续流二极管的一端、激磁线圈的一端相连，所述第一功率驱动模块的另一端与所述微处理器相连，所述续流二极管的另一端与第二开关管的一端、钳位电路的一端相连，所述激磁线圈的另一端与所述线圈电流检测模块的一端相连，所述第二开关管还经所述第二功率驱动模块与所述微处理器相连，所述线圈电流检测模块的另一端、所述线圈电压检测模块的另一端与所述开关电源的另一端均与所述微处理器相连；所述第二开关管、所述钳位电路以及所述线圈电流检测模块还与接地端相连。

进一步地，所述触头系统中，所述第二电源的一端与所述触头电流检测模块的一端、第三开关管的一端、第二二极管的一端相连，所述触头电流检测模块的另一端与所述主触头的一端相连，所述主触头还并联有所述触头电压检测模块与所述过电压抑制能量吸收回路，所述主触头的另一端还与所述负载的一端相连；所述触头电流检测模块与所述触头电压检测模块均与所述微处理器相连；所述第三开关管的另一端经所述第四开关管与所述负载的一端相连，所述第三开关管还经所述第三功率驱动模块与所述微处理器相连，所述第四开关管经所述第四功率驱动模块与所述微处理器相连；所述第二二极管的另一端与所述第一二极管的一端相连，所述第一二极管的另一端与所述负载的一端相连；所述第三开关管的另一端依次经所述电感与电容与所述第二二极管的另一端相连，所述第四开关管的一端经所述第三二极管与所述第一二极管的一端相连，所述负载的另一端与所述第二电源的另一端相连。

本发明还采用以下方法实现：一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为正极、所述第二电源的另一端为负极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第三开关管导通，则主触头、第三开关管、第三二极管、第一二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第三开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第三开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第一二极管、主触头、第三开关管组成第一支路，由电感、电容、第二二极管、第三开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第二二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、第二二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第二二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、第三开关管、第三二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第二二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第三开关管，过电压抑制及能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

特别地，所述整流滤波模块将第一电源变成平稳的直流，所述线圈电压检测模块用于检测电磁系统电压值，所述线圈电流检测模块用于检测激磁线圈电流大小；所述微处理器作为整个控制方案的核心，通过控制第一开关管和第二开关管的状态，调节激磁线圈电流的大小；所述钳位电路由瞬态抑制二极管组成，与续流二极管形成退磁回路，吸收反向瞬态能量，起到快速退磁的作用。

特别地，所述触头电流检测模块用于检测主触头电流大小，触头电压检测模块用于检测第二电源类型及大小，使电磁开关具有自适应功能。电容、电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三开关管、第四开关管融合了强迫过零技术和混合式开关技术，自适应控制第三开关管和第四开关管的状态使主触头无弧动作。当第二电源为交流时，控制第三开关管和第四开关管状态，实现主触头无弧动作，根据负载类型，在相应的电压相角下控制第三开关管和第四开关管导通，能够有效抑制涌流及过电压。当第二电源为直流时，根据潮流方向，控制第三开关管或第四开关管的状态，实现主触头直流无弧动作。

本发明还采用以下方法实现：一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为负极、所述第二电源的另一端为正极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块实现对激磁线圈电流的实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第四开关管导通，则主触头、第四开关管、第三二极管、第第二二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第四开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第四开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第二二极管、主触头、第四开关管组成第一支路，由电感、电容、第一二极管、第四开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第一二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、负载、第一二极管、第二二极管、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第一二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、负载、第四开关管、第三二极管、第二二极管、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第一二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第四开关管，过电压抑制及能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

在本发明中，以上两种控制方法均引入触头电流的反馈量。其中第一种控制方法中，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为正极、所述第二电源的另一端为负极时，触头电流的反馈量用于判断第三开关管的导通时刻，摒弃了传统方案依靠延时的方法决定谐振电路的投入时刻，该方案不受限于电磁机构动作分散性的影响。引入第三二极管，实现电磁开关吸合、分断过程无弧动作，同时，实现分断阶段主触头零电压恢复时间可控，保证主触头具有充裕的零电压恢复时间。另外，为了防止因触头电流检测模块采样出错，而导致谐振电路提前投入，本设计在分断阶段对触头电流进行多次零点采样，决定第三开关管的关断时刻。若谐振电路提前投入，由于触头电流不恒为零，因此第三开关管一直处于导通状态，在动静触头开始分离时，由第三开关管、第三二极管、第一二极管组成的辅助支路与主触头形成混合式开关，补偿无谐振电流的情况，实现无弧开断，形成完善的软硬件保护措施。另外，第二种控制方法中，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为负极、所述第二电源的另一端为正极时，其工作原理与上述类似，不同之处仅在于此时第三开关管不工作，而第四开关管工作。

本发明还采用以下方法实现：一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为交流电源时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；同时所述微处理根据负载的类型，由触头电压检测模块检测第二电源的电压相角，在相应的合闸相角下，控制第三开关管和第四开关管导通；由第三开关管、第三二极管、第一二极管组成交流电流正半周期支路，作为第三支路；由第四开关管、第三二极管、第二二极管组成交流电流负半周期支路，作为第四支路；在主触头弹跳期间，第三支路和第四支路实现主触头无弧吸合；主触头完全闭合后，关断第三开关管和第四开关管，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，电磁开关转入吸持控制程序；由微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁；同时所述微处理器控制第三开关管和第四开关管导通，使第三支路和第四支路作用于主触头分断阶段，实现主触头无弧分断；所述微处理器通过触头电流检测模块的反馈量，判断主触头状态，当主触头完全分断后，控制第三开关管和第四开关管关断，主回路断开，分断过程结束。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明提出了一种无弧开关自适应控制系统，实现了电磁开关触头系统对交直流电源的自适应无弧动作和电磁系统交直流输入、节能无声运行，以及触头系统和电磁系统的全闭环控制。

（2）触头系统适用于直流双向场合，通过对潮流的自适应判断，控制相应的电力电子开关，实现主触头无弧动作，通过引入主触头状态，规避了电磁机构动作分散性的影响，形成了完善的软硬件保护措施，保证主触头无弧动作的效果，同时具有零电压恢复时间可控的特点。

（3）触头系统工作于交流电源时，根据负载类型，主触头闭合时，自适应控制电力电子开关在相应的相角导通，可有效抑制涌流和过电压，实现无弧吸合，电力电子开关动作快，不受限于电磁机构动作分散性的影响；分断阶段，电力电子开关与主触头构成混合式开关，实现无弧分断。

附图说明

图1为本发明的控制系统原理示意框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种无弧开关自适应控制系统，如图1所示，包括相互相连的电磁系统与触头系统，所述电磁系统包括微处理器、第一电源、整流滤波模块、线圈电压检测模块、线圈电流检测模块、开关电源、第一开关管、第二开关管、第一功率驱动模块、第二功率驱动模块、续流二极管、激磁线圈、钳位电路；所述整流滤波模块用以将所述第一电源提供的电源变为平稳的直流电源，所述线圈电压检测模块用以检测电磁系统的电压值，所述线圈电流检测模块用以检测所述激磁线圈的电流大小，所述微处理器通过控制第一开关管和第二开关管的状态，调节所述激磁线圈电流的大小；所述触头系统包括第二电源、触头电流检测模块、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率驱动模块、第四功率驱动模块、触头电压检测模块、主触头、过电压抑制能量吸收回路、负载、电感、电容；所述触头电流检测模块用以检测所述主触头的电流大小，所述触头电压检测模块用于检测第二电源的类型及电源大小。

在本实施例中，所述电磁系统中，所述第一电源的第一端与所述整流滤波模块的一端相连，所述第一电源的第二端与所述线圈电压检测模块的一端相连，所述第一电源的第三端与开关电源的一端相连，所述整流滤波模块的另一端与所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述第一功率驱动模块的一端相连，所述第一开关管的第三端同时与续流二极管的一端、激磁线圈的一端相连，所述第一功率驱动模块的另一端与所述微处理器相连，所述续流二极管的另一端与第二开关管的一端、钳位电路的一端相连，所述激磁线圈的另一端与所述线圈电流检测模块的一端相连，所述第二开关管还经所述第二功率驱动模块与所述微处理器相连，所述线圈电流检测模块的另一端、所述线圈电压检测模块的另一端与所述开关电源的另一端均与所述微处理器相连；所述第二开关管、所述钳位电路以及所述线圈电流检测模块还与接地端相连。

在本实施例中，所述触头系统中，所述第二电源的一端与所述触头电流检测模块的一端、第三开关管的一端、第二二极管的一端相连，所述触头电流检测模块的另一端与所述主触头的一端相连，所述主触头还并联有所述触头电压检测模块与所述过电压抑制能量吸收回路，所述主触头的另一端还与所述负载的一端相连；所述触头电流检测模块与所述触头电压检测模块均与所述微处理器相连；所述第三开关管的另一端经所述第四开关管与所述负载的一端相连，所述第三开关管还经所述第三功率驱动模块与所述微处理器相连，所述第四开关管经所述第四功率驱动模块与所述微处理器相连；所述第二二极管的另一端与所述第一二极管的一端相连，所述第一二极管的另一端与所述负载的一端相连；所述第三开关管的另一端依次经所述电感与电容与所述第二二极管的另一端相连，所述第四开关管的一端经所述第三二极管与所述第一二极管的一端相连，所述负载的另一端与所述第二电源的另一端相连。

在本实施例中，所述整流滤波模块将第一电源变成平稳的直流，所述线圈电压检测模块用于检测电磁系统电压值，所述线圈电流检测模块用于检测激磁线圈电流大小；所述微处理器作为整个控制方案的核心，通过控制第一开关管和第二开关管的状态，调节激磁线圈电流的大小；所述钳位电路由瞬态抑制二极管组成，与续流二极管形成退磁回路，吸收反向瞬态能量，起到快速退磁的作用。

在本实施例中，所述触头电流检测模块用于检测主触头电流大小，触头电压检测模块用于检测第二电源类型及大小，使电磁开关具有自适应功能。电容、电感、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三开关管、第四开关管融合了强迫过零技术和混合式开关技术，自适应控制第三开关管和第四开关管的状态使主触头无弧动作。当第二电源为交流时，控制第三开关管和第四开关管状态，实现主触头无弧动作，根据负载类型，在相应的电压相角下控制第三开关管和第四开关管导通，能够有效抑制涌流及过电压。当第二电源为直流时，根据潮流方向，控制第三开关管或第四开关管的状态，实现主触头直流无弧动作。

在本实施例中，一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为正极、所述第二电源的另一端为负极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第三开关管导通，则主触头、第三开关管、第三二极管、第一二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第三开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第三开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第一二极管、主触头、第三开关管组成第一支路，由电感、电容、第二二极管、第三开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第二二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、第二二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第二二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、第三开关管、第三二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第二二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第三开关管，过电压抑制及能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

在本实施例中，一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，还包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为负极、所述第二电源的另一端为正极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块实现对激磁线圈电流的实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第四开关管导通，则主触头、第四开关管、第三二极管、第二二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第四开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第四开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第二二极管、主触头、第四开关管组成第一支路，由电感、电容、第一二极管、第四开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第一二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、负载、第一二极管、第二二极管、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第一二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、负载、第四开关管、第三二极管、第二二极管、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第一二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第四开关管，过电压抑制及能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

在本实施例中，以上两种控制方法均引入触头电流的反馈量。其中第一种控制方法中，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为正极、所述第二电源的另一端为负极时，触头电流的反馈量用于判断第三开关管的导通时刻，摒弃了传统方案依靠延时的方法决定谐振电路的投入时刻，该方案不受限于电磁机构动作分散性的影响。引入第三二极管，实现电磁开关吸合、分断过程无弧动作，同时，实现分断阶段主触头零电压恢复时间可控，保证主触头具有充裕的零电压恢复时间。另外，为了防止因触头电流检测模块采样出错，而导致谐振电路提前投入，本设计在分断阶段对触头电流进行多次零点采样，决定第三开关管的关断时刻。若谐振电路提前投入，由于触头电流不恒为零，因此第三开关管一直处于导通状态，在动静触头开始分离时，由第三开关管、第三二极管、第一二极管组成的辅助支路与主触头形成混合式开关，补偿无谐振电流的情况，实现无弧开断，形成完善的软硬件保护措施。另外，第二种控制方法中，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为负极、所述第二电源的另一端为正极时，其工作原理与上述类似，不同之处仅在于此时第三开关管不工作，而第四开关管工作。

在本实施例中，当第二电源为交流电源时，一种无弧开关自适应控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为交流电源时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；同时所述微处理根据负载的类型，由触头电压检测模块检测第二电源的电压相角，在相应的合闸相角下，控制第三开关管和第四开关管导通；由第三开关管、第三二极管、第一二极管组成交流电流正半周期支路，作为第三支路；由第四开关管、第三二极管、第二二极管组成交流电流负半周期支路，作为第四支路；在主触头弹跳期间，第三支路和第四支路实现主触头无弧吸合；主触头完全闭合后，关断第三开关管和第四开关管，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，电磁开关转入吸持控制程序；由微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁；同时所述微处理器控制第三开关管和第四开关管导通，使第三支路和第四支路作用于主触头分断阶段，实现主触头无弧分断；所述微处理器通过触头电流检测模块的反馈量，判断主触头状态，当主触头完全分断后，控制第三开关管和第四开关管关断，主回路断开，分断过程结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种无弧开关自适应控制系统，其特征在于：包括相互相连的电磁系统与触头系统，所述电磁系统包括微处理器、第一电源、整流滤波模块、线圈电压检测模块、线圈电流检测模块、开关电源、第一开关管、第二开关管、第一功率驱动模块、第二功率驱动模块、续流二极管、激磁线圈、钳位电路；所述整流滤波模块用以将所述第一电源提供的电源变为平稳的直流电源，所述线圈电压检测模块用以检测电磁系统的电压值，所述线圈电流检测模块用以检测所述激磁线圈的电流大小，所述微处理器通过控制第一开关管和第二开关管的状态，调节所述激磁线圈电流的大小；所述触头系统包括第二电源、触头电流检测模块、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第三功率驱动模块、第四功率驱动模块、触头电压检测模块、主触头、过电压抑制能量吸收回路、负载、电感、电容；所述触头电流检测模块用以检测所述主触头的电流大小，所述触头电压检测模块用于检测第二电源的类型及电源大小；

所述电磁系统中，所述第一电源的第一端与所述整流滤波模块的一端相连，所述第一电源的第二端与所述线圈电压检测模块的一端相连，所述第一电源的第三端与开关电源的一端相连，所述整流滤波模块的另一端与所述第一开关管的第一端相连，所述第一开关管的第二端与所述第一功率驱动模块的一端相连，所述第一开关管的第三端同时与续流二极管的一端、激磁线圈的一端相连，所述第一功率驱动模块的另一端与所述微处理器相连，所述续流二极管的另一端与第二开关管的一端、钳位电路的一端相连，所述激磁线圈的另一端与所述线圈电流检测模块的一端相连，所述第二开关管还经所述第二功率驱动模块与所述微处理器相连，所述线圈电流检测模块的另一端、所述线圈电压检测模块的另一端与所述开关电源的另一端均与所述微处理器相连；所述第二开关管、所述钳位电路以及所述线圈电流检测模块还与接地端相连；

所述触头系统中，所述第二电源的一端与所述触头电流检测模块的一端、第三开关管的一端、第二二极管的一端相连，所述触头电流检测模块的另一端与所述主触头的一端相连，所述主触头还并联有所述触头电压检测模块与所述过电压抑制能量吸收回路，所述主触头的另一端还与所述负载的一端相连；所述触头电流检测模块与所述触头电压检测模块均与所述微处理器相连；所述第三开关管的另一端经所述第四开关管与所述负载的一端相连，所述第三开关管还经所述第三功率驱动模块与所述微处理器相连，所述第四开关管经所述第四功率驱动模块与所述微处理器相连；所述第二二极管的另一端与所述第一二极管的一端相连，所述第一二极管的另一端与所述负载的一端相连；所述第三开关管的另一端依次经所述电感与电容与所述第二二极管的另一端相连，所述第四开关管的一端经所述第三二极管与所述第一二极管的一端相连，所述负载的另一端与所述第二电源的另一端相连。

2.一种如权利要求1所述的无弧开关自适应控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为正极、所述第二电源的另一端为负极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第三开关管导通，则主触头、第三开关管、第三二极管、第一二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第三开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第三开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第一二极管、主触头、第三开关管组成第一支路，由电感、电容、第二二极管、第三开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第二二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、第二二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第二二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、第三开关管、第三二极管、第一二极管、负载、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第二二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第三开关管，过电压抑制能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

3.一种如权利要求1所述的无弧开关自适应控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为直流电源且所述第二电源的一端为负极、所述第二电源的另一端为正极时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块实现对激磁线圈电流的实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；当主触头第一次闭合时，所述触头电流检测模块将主触头状态反馈回微处理器，微处理器控制第四开关管导通，则主触头、第四开关管、第三二极管、第二二极管形成混合式开关，在主触头弹跳期间抑制电弧产生，实现无弧吸合；当主触头完全闭合后，控制第四开关管关断，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行，在转入吸持控制程序的同时，对电容进行预充电，为分断过程做准备；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁，动静铁芯带动动静触头快速分离，电弧产生，触头电流开始下降；触头电流检测模块将触头电流反馈给微处理器，当触头电流达到分断阈值时，第四开关管导通，电感、电容开始谐振；谐振电流在第一二极管和第二二极管的作用下，分流成两个支路；由电感、电容、第二二极管、主触头、第四开关管组成第一支路，由电感、电容、第一二极管、第四开关管组成第二支路；谐振电流在第一支路的作用下，使主触头电流迅速过零，电弧熄灭；当电弧熄灭后，在第二支路的作用下，第一二极管仍处于导通状态，主回路电流经第二电源、负载、第一二极管、第二二极管、第二电源构成回路，使主触头处于零电压恢复状态；当谐振电流下降到主回路电流，第一二极管截止，第三二极管导通，此时主回路电流经第二电源、负载、第四开关管、第三二极管、第二二极管、第二电源构成回路，主触头仍处于零电压恢复状态；此后，在谐振电流的作用下，第一二极管和第三二极管互补导通，由触头电流检测模块反馈主触头状态，确保主触头有充裕的零电压恢复时间，而后关断第四开关管，过电压抑制能量吸收回路工作，防止电子元件被击穿，同时吸收储存于线路中的能量。

4.一种如权利要求1所述的无弧开关自适应控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：当所述的无弧开关自适应控制系统上电后，所述开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

步骤S2：在所述电磁系统闭合之前，所述微处理器通过所述触头电压检测模块的反馈量判断第二电源的类型，当第二电源为交流电源时，工作过程如下：

（1）吸合阶段：当第一电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，由微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；所述微处理器通过线圈电流检测模块对激磁线圈的电流大小进行实时采样，完成对第一开关管状态的控制，实现电磁系统闭环起动；同时所述微处理器根据负载的类型，由触头电压检测模块检测第二电源的电压相角，在相应的合闸相角下，控制第三开关管和第四开关管导通；由第三开关管、第三二极管、第一二极管组成交流电流正半周期支路，作为第三支路；由第四开关管、第三二极管、第二二极管组成交流电流负半周期支路，作为第四支路；在主触头弹跳期间，第三支路和第四支路实现主触头无弧吸合；主触头完全闭合后，关断第三开关管和第四开关管，吸合过程结束；

（2）吸持阶段：吸合过程结束后，电磁开关转入吸持控制程序；由微处理器实现对激磁线圈电流的闭环控制，将线圈电流维持在一个低值范围内，实现电磁开关节能无声运行；

（3）分断阶段：当第一电源电压低于电磁系统电压释放值时，第一开关管和第二开关管关断，钳位电路工作，激磁线圈迅速退磁；同时所述微处理器控制第三开关管和第四开关管导通，使第三支路和第四支路作用于主触头分断阶段，实现主触头无弧分断；所述微处理器通过触头电流检测模块的反馈量，判断主触头状态，当主触头完全分断后，控制第三开关管和第四开关管关断，主回路断开，分断过程结束。