CN108107736A - 一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法。建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，对触头起弧时刻的电弧电压进行多分辨率分析，自动辨识触头刚分时刻，实现了单极开关分断时刻的在线自动调整，在弹簧疲劳、触头磨损等参数变化后，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断，对批量控制更具有实用意义，改变了传统方法需事先测定大批量接触器分断时间的弊端，控制方法具备通用性。

Description

一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法

技术领域

本发明涉及电磁开关领域，特别是涉及一种零电流分断开关的自适应控制方法。

背景技术

在交流电磁开关分断过程中，开关电弧严重影响其可靠运行。作为控制电器，交流电磁开关通常不会采用如配电电器那样强的灭弧措施，所以分断大电流时触头的烧蚀十分严重。随着风能、光伏等新能源的发展和矿山、起重等行业的制造能力大幅提升，对开关的容量、分断能力及应用领域等要求越来越高，新型开关电器的研究得到了广泛的关注。

以零电流分断为基础的无弧或微弧智能控制技术在交流系统中的采用，可以大幅度提高开关的使用寿命和各项性能指标，同时，提高系统的稳定性。零电流分断技术指的是：触头在电流相位零点前的某一个小区域（最佳区域）断开电路，实现过零后的无弧或微电弧开断，具有短燃弧、短间隙下分断大电流的技术优势。传统开关受结构限制，无法真正实现三相电路的零电流分断。本方法的研究对象——单极智能接触器，将主回路的电压、电流信号引入智能控制模块中，在实现激磁系统的宽电压输入、节能无声运行、快速去磁分断的同时，具有主电路的零电压接通和零电流分断控制功能。并可根据需要形成组合式开关，通过各极之间的协调配合、统一控制实现传统接触器无法实现的三相电路零电流分断。

零电流分断这一技术的难点在于触头分开的准确性与稳定性，电磁动作机构的分断时间决定了动静触头的打开时刻。但是，由于机械结构存在动作分散性，激磁系统下电的触发延迟设定需要事先对接触器的分断时间进行多次测量。并且，环境参数变化、大电流下触头间的电动斥力（AC4等重任务需要分断6倍及以上的额定电流）、触头磨损及弹簧疲劳等因素还会导致接触器分断时间发生缓慢变化，如果不能及时的动态校正触发延迟，单纯依靠出厂时设置的固定延迟时间，已难以满足新的稳定性要求，必然导致零电流分断失败。

其次，由于机械制造、装配工艺等因素，台与台之间的分断时间分散性远大于其自身的分断时间分散性。若以传统的方式逐台测量再分别设置固定的触发延迟，实现批量零电流分断控制的工作量十分巨大。现有的分断时间测量方法大都采用在断口处加直流电压，人工调节试验参数，测试效率低、精度差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，对触头起弧时刻的电弧电压进行多分辨率分析，自动辨识触头刚分时刻，实现了单极开关分断时刻的在线自动调整，在弹簧疲劳、触头磨损等参数变化后，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断，对批量控制更具有实用意义，改变了传统方法需事先测定大批量接触器分断时间的弊端，控制方法具备通用性。

为实现上述目的，本发明的技术方法是：一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，提供相互连接的电磁系统与触头系统；所述触头系统包括触头电压、电流检测模块，电流检测模块实现主触头电流的零点检测，配合电磁机构闭环控制系统的闭环控制完成零电流分闸操作，其特征在于：该方法通过建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，分析将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间，即从线圈下电到触头刚分时刻，再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当包括环境变化、控制电压波动及操作机构老化原因引起接触器分断动作时间变化时，迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断。

该方法通过建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，分析将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间，即从线圈下电到触头刚分时刻，再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当包括环境变化、控制电压波动及操作机构老化原因引起接触器分断动作时间变化时，迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断。

在本发明的实施例中，基于所述方法，电磁机构闭环控制系统、基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环的具体工程过程如下：

系统上电后，开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

吸合阶段：当线圈输入电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；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；

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；

分断阶段: 当线圈输入电压低于电磁系统电压释放值时，触头系统开始进行电流过零检测，零点检测成功后，根据预测的分断时间，微处理器计算本次零电流分断所需的延迟触发时间并给出分断信号，控制第一开关管和第二开关管关断，快速去磁电路工作，激磁线圈迅速退磁，同时Mallat变换算法启动实行，进入起弧电压观测状态；将Mallat变换算法视为对触头电压信号的低通及高通滤波，即将触头电压信号分解为不同尺度下的各个分量，根据离线分析结果，将观察变量锁定在分断起弧时刻特征频带的高频分量系数；随后，动静铁芯带动动静触头快速分离，触头间产生电弧，此时的触头电压反馈信号通过Mallat变换算法处理后将在特征频带产生一个数值较高的高频信号分量，由于这一分量值是吸持状态下的十几到几十倍，具有很好的区分性，因此可以用来实时反馈触头刚分时刻，获得机构分断动作时间，将其存入微处理器的掉电可保存模块中，单极开关的分断时间实时反馈完成，主回路断开，分断过程结束；

在下次上电时，微处理器将调用Mallat变换算法检测到的历史分断时间进行加权平均计算得到本次分断时间预测值；不同时间序列的分断时间具有不同大小的权系数，越近采集的数据可靠性越高，占有的权重也越大；使得预测值不仅能有效地适应动作时间的波动，也能较快的反映机构动作的变化趋势，容错能力强，提升实时反馈自校正的稳定性。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

（1）、本发明提出了触头分断时间的自校正控制思路，建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，实现单极开关分断时刻在线自动调整，自适应地进行零电流分断控制；

（2）、通过研究触头起弧阶段的电弧电压特征频带，确立了适用于反馈触头刚分时刻的Mallat变换参数和检测阈值，在特定的时域和频域分析触头刚分时刻，规避了外界干扰信号的影响。在触头电压突变时具有良好的瞬态响应能力，实现分断时间的实时准确反馈；

（3）、将历史分断时间输入至加权平均算法中实现对下次分断时间的预测，使得控制策略能够在弹簧疲劳、触头磨损等参数变化后，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断尤其对批量控制具有实用意义，改变传统方法需事先测定大批量电磁开关分断时间的弊端。

附图说明

图1为本发明控制方法原理框图。

图2为吸持与分断状态时触头电压Mallat变换的高频信号分量。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方法进行具体说明。

本发明的一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，提供相互连接的电磁系统与触头系统；所述触头系统包括触头电压、电流检测模块，电流检测模块实现主触头电流的零点检测，配合电磁机构闭环控制系统的闭环控制完成零电流分闸操作，其特征在于：该方法通过建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，分析将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间，即从线圈下电到触头刚分时刻，再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当包括环境变化、控制电压波动及操作机构老化原因引起接触器分断动作时间变化时，迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断。

该方法通过建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，分析将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间，即从线圈下电到触头刚分时刻，再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当包括环境变化、控制电压波动及操作机构老化原因引起接触器分断动作时间变化时，迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断。

基于所述方法，电磁机构闭环控制系统、基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环的具体工程过程如下：

系统上电后，开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

吸合阶段：当线圈输入电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；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；

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；

分断阶段: 当线圈输入电压低于电磁系统电压释放值时，触头系统开始进行电流过零检测，零点检测成功后，根据预测的分断时间，微处理器计算本次零电流分断所需的延迟触发时间并给出分断信号，控制第一开关管和第二开关管关断，快速去磁电路工作，激磁线圈迅速退磁，同时Mallat变换算法启动实行，进入起弧电压观测状态；将Mallat变换算法视为对触头电压信号的低通及高通滤波，即将触头电压信号分解为不同尺度下的各个分量，根据离线分析结果，将观察变量锁定在分断起弧时刻特征频带的高频分量系数；随后，动静铁芯带动动静触头快速分离，触头间产生电弧，此时的触头电压反馈信号通过Mallat变换算法处理后将在特征频带产生一个数值较高的高频信号分量，由于这一分量值是吸持状态下的十几到几十倍，具有很好的区分性，因此可以用来实时反馈触头刚分时刻，获得机构分断动作时间，将其存入微处理器的掉电可保存模块中，单极开关的分断时间实时反馈完成，主回路断开，分断过程结束；

在下次上电时，微处理器将调用Mallat变换算法检测到的历史分断时间进行加权平均计算得到本次分断时间预测值；不同时间序列的分断时间具有不同大小的权系数，越近采集的数据可靠性越高，占有的权重也越大；使得预测值不仅能有效地适应动作时间的波动，也能较快的反映机构动作的变化趋势，容错能力强，提升实时反馈自校正的稳定性。

以下为本发明的具体实施原理。

如图1所示，整流滤波模块将线圈输入电源变成平稳的直流电源，线圈电压检测模块用于检测电磁系统电压值，线圈电流检测模块用于检测激磁线圈电流大小，微处理器作为整个控制方法的核心，通过控制第一开关管Q₁、第二开关管Q₂的状态，调节激磁线圈电流的大小，钳位电路由瞬态抑制二极管D₂组成，与续流二极管D₁形成退磁回路，吸收反向瞬态能量，起到快速退磁的作用。

触头系统主要由触头电压、电流检测模块构成，电流检测模块实现主触头电流的零点检测，配合电磁机构的闭环控制完成零电流分闸操作，在触头刚分时刻触头电压将反映触头间的起弧情况，电弧电压中包含特定频带的高频分量，Mallat算法的多分辨率分析功能将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间（即从线圈下电到触头刚分时刻），再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当环境变化、控制电压波动及操作机构老化等原因引起接触器分断动作时间变化时，自校正控制策略能够在1～2个周期内根据自适应算法迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的。提高主触头零电流分断的准确性和稳定性。

工作过程如下：

系统上电后，开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化。其工作过程如下：

1、吸合阶段：当线圈输入电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始。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。

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: 当线圈输入电压低于电磁系统电压释放值时，触头系统开始进行电流过零检测，零点检测成功后，根据预测的分断时间，微处理器计算本次零电流分断所需的延迟触发时间并给出分断信号，控制第一开关管和第二开关管关断，快速去磁电路工作，激磁线圈迅速退磁，同时Mallat算法启动实行，进入起弧电压观测状态。可将Mallat变换算法视为对触头电压信号的低通及高通滤波，即将触头电压信号分解为不同尺度下的各个分量，根据离线分析结果，将观察变量锁定在分断起弧时刻特征频带的高频分量系数。随后，动静铁芯带动动静触头快速分离，触头间产生电弧，此时的触头电压反馈信号通过Mallat变换算法处理后将在特征频带产生一个数值较高的高频信号分量，这一分量值将是吸持状态下的十几到几十倍，具有很好的区分性，如图2所示，因此可以用来实时反馈触头刚分时刻，获得机构分断动作时间，将其存入微处理器的掉电可保存模块中，单极开关的分断时间实时反馈完成，主回路断开，分断过程结束。

在下次上电时，微处理器将调用Mallat算法检测到的历史分断时间进行加权平均计算得到本次分断时间预测值。不同时间序列的分断时间具有不同大小的权系数，越近采集的数据可靠性越高，占有的权重也越大。使得预测值不仅能有效地适应动作时间的波动，也能较快的反映机构动作的变化趋势，容错能力强，提升实时反馈自校正的稳定性。将自校正控制策略应用在零电流分断的批量控制中，无须在出厂前大批量测定接触器的分断时间，该方法不受限于电磁机构的结构参数和接触器的使用环境，降低具有零电流分断功能电器的维护费用。摒弃了传统方法依靠出厂前多次测量分断时间，设定固定延时的方法决定零电流分断的线圈下电时刻。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方法所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方法的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，提供相互连接的电磁系统与触头系统；所述触头系统包括触头电压、电流检测模块，电流检测模块实现主触头电流的零点检测，配合电磁机构闭环控制系统的闭环控制完成零电流分闸操作，其特征在于：该方法通过建立基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环，分析将在电弧电压的特征频带检测触头刚分时刻，并获得单极开关的历史分断动作时间，即从线圈下电到触头刚分时刻，再经加权平均算法实现下次动作时间的预测，自适应寻找最佳的触发延迟时间，当包括环境变化、控制电压波动及操作机构老化原因引起接触器分断动作时间变化时，迅速调整预测值，达到跟踪接触器分断动作时间变化的目的，自动寻找到当前工况下的稳定分断时刻，实现零电流分断。

2.根据权利要求1所述的一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，其特征在于：所述电磁机构闭环控制系统包括微处理器、线圈输入电源、激磁线圈、开关电源、第一开关管、第二开关管、由瞬态抑制二极管D₂与续流二极管D₁形成的退磁回路、用于将线圈输入电源整流成平稳直流电源的整流滤波模块、用于检测整个电磁机构闭环控制系统电压值的线圈电压检测模块、用于检测激磁线圈电流的线圈电流检测模块，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。

3.根据权利要求2所述的一种单极开关分断时间反馈自校正控制方法，其特征在于：基于所述方法，电磁机构闭环控制系统、基于分断电弧电压Mallat变换的触头反馈环的具体工程过程如下：

系统上电后，开关电源为各个模块供电，微处理器控制程序初始化；

吸合阶段：当线圈输入电源电压达到电磁系统电压吸合范围时，微处理器控制第一开关管导通，吸合过程开始；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；

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；

分断阶段: 当线圈输入电压低于电磁系统电压释放值时，触头系统开始进行电流过零检测，零点检测成功后，根据预测的分断时间，微处理器计算本次零电流分断所需的延迟触发时间并给出分断信号，控制第一开关管和第二开关管关断，快速去磁电路工作，激磁线圈迅速退磁，同时Mallat变换算法启动实行，进入起弧电压观测状态；将Mallat变换算法视为对触头电压信号的低通及高通滤波，即将触头电压信号分解为不同尺度下的各个分量，根据离线分析结果，将观察变量锁定在分断起弧时刻特征频带的高频分量系数；随后，动静铁芯带动动静触头快速分离，触头间产生电弧，此时的触头电压反馈信号通过Mallat变换算法处理后将在特征频带产生一个数值较高的高频信号分量，由于这一分量值是吸持状态下的十几到几十倍，具有很好的区分性，因此可以用来实时反馈触头刚分时刻，获得机构分断动作时间，将其存入微处理器的掉电可保存模块中，单极开关的分断时间实时反馈完成，主回路断开，分断过程结束；

在下次上电时，微处理器将调用Mallat变换算法检测到的历史分断时间进行加权平均计算得到本次分断时间预测值；不同时间序列的分断时间具有不同大小的权系数，越近采集的数据可靠性越高，占有的权重也越大；使得预测值不仅能有效地适应动作时间的波动，也能较快的反映机构动作的变化趋势，容错能力强，提升实时反馈自校正的稳定性。