CN110634694A - 一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，属于电力行业开关设备驱动领域。本发明包括结构相同的主驱动回路和备用驱动回路，还包括能够手动切换主驱动回路或备用驱动回路工作的切换模块，用于外接设备及供电的接口模块，所述主驱动回路包括主控模块、桥回路、桥回路驱动模块、电源管理模块和储能模块，其中，所述主控模块分别与桥回路驱动模块和电源管理模块相连，所述桥回路驱动模块的输出端与桥回路的输入端相连，还包括分别与主驱动回路和备用驱动回路的电源管理模块相连的备用电池，所述储能模块的输入端与电源管理模块输出端相连，所述储能模块的输出端与桥回路输入端相连。本发明采用主备双回路设计，可靠性高。

Description

一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块

技术领域

本发明涉及一种电力行业开关设备驱动，尤其涉及一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块。

背景技术

现有永磁开关（下述简称“开关机构”）在实际使用时，需要使用永磁开关驱动模块（下述简称“驱动模块”）进行驱动。驱动模块驱动开关机构的原理是通过给开关机构内部线圈产生瞬间大电流，对线圈进行激励，改变内部永磁体极性，从而驱动开关机构完成动作。

现有电力行业中永磁开关驱动模块大多使用分体式设计方案，驱动回路+驱动电容分体式设计和安装，且驱动回路通常只有单套无后备，无自检及防短路检测功能。驱动回路损坏后无法再度使用，可靠性较低。

综上 ，上述模式存在以下缺点：

1.整体模块由于分体式安装，体积大，安装工艺复杂而且在安装电容时有高压触电风险；

2.驱动回路在动作过程中容易因大电流耐受性差导致烧毁内部回路；

3.线圈短路时无法自动检测发现，驱动时烧毁驱动回路；

4.驱动回路损坏后无法及时自检发现；

5.驱动回路无备用回路。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块。

本发明包括结构相同的主驱动回路和备用驱动回路，还包括能够手动切换主驱动回路或备用驱动回路工作的切换模块，用于外接设备及供电的接口模块，所述主驱动回路包括主控模块、桥回路、桥回路驱动模块、电源管理模块和储能模块，其中，所述主控模块分别与桥回路驱动模块和电源管理模块相连，所述桥回路驱动模块的输出端与桥回路的输入端相连，还包括分别与主驱动回路和备用驱动回路的电源管理模块相连的备用电池，所述储能模块的输入端与电源管理模块输出端相连，所述储能模块的输出端与桥回路输入端相连。

本发明作进一步改进，还包括与桥回路相连的自检模块，所述桥回路驱动模块内设有驱动自检模块的自检驱动支路。

本发明作进一步改进，所述桥回路采用H桥式回路。

本发明作进一步改进，所述桥回路包括双向可控硅T1、T2、T3、T4，三极管Q2，三极管Q3，光耦OP10、OP11、OP12、OP13，接口J3,其中，

所述双向可控硅T1、T2、T3、T4的控制端和三极管Q2的基极分别接桥回路驱动输出端，双向可控硅T1、T2、T3、T4的1和2脚之间分别并联一个二极管，二极管的正极引脚2分别与双向可控硅接电源负极的1脚相连，所述双向可控硅T1、T2串联后一端与电源VH+相连，另一端接三极管Q2的集电极，所述双向可控硅T3、T4串联后一端与电源VF+相连，另一端接三极管Q2的集电极，负载的一端XQ+接双向可控硅T1、T2之间，负载的另一端XQ-接双向可控硅T3、T4之间，所述负载并接一个稳压二极管D18，

每个双向可控硅并接一个结构相同的光耦支路，其中，双向可控硅T1 的光耦支路中的光耦OP10的原边引脚1分别与电阻R23的电阻R24的一端相连，电阻R23的一端接电源VH+，光耦OP10的原边引脚2分别接电阻R24的另一端接XQ+，光耦OP10的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的T1 KI引脚19，

所述三极管Q2的基极还分别与稳压管D25的K端、电阻R43的一端和三极管Q3的集电极相连，三极管Q2的发射极分别与稳压管D25的A端、电阻R23的另一端、三极管Q3的发射极、电阻R46、电容C1的一端、电阻R100、电阻R85、电阻R93和电阻R1的一端相连，三极管Q3的基极和电阻R46、电容C1的另一端接接口J3的OCP DRV1引脚10，所述电阻R85、电阻R93和电阻R1的另一端接电源DC V-，所述电阻R100的另一端接功放U8的同相输入端，功放U8的反相输入端分别与电阻R103和电阻R104的一端，电阻R103另一端和功放U8的电源负极引脚接地，电阻R104另一端和功放U8的电源正极引脚接5V电源，所述功放U8的输出端分别与电阻R37的一端和二极管D1的正极相连，电阻R37的另一端接接口J3的OCP引脚7。

本发明作进一步改进，所述自检模块包括三极管Q4和光耦OP14，所述三极管Q4的基极分别与自检驱动支路输出端、电阻R47的一端、稳压二极管D26的K端相连，所述三极管Q4的集电极与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q4的发射极、电阻R47的另一端、稳压二极管D26的A端分别与电阻R48的一端相连，电阻R48的另一端通过电阻R49与光耦OP14的原边引脚1相连，光耦OP14的原边引脚2与三极管Q2的发射极相连，电阻R50和电阻R51并接在光耦OP14的原边引脚1和引脚2之间，光耦OP14的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的IGBT1KI引脚11。

本发明作进一步改进，所述驱动模块包括驱动芯片U5和分别与驱动芯片U5不同引脚相连的结构相同的6路驱动单元，其中一路驱动单元为自检驱动支路，分别用于驱动双向可控硅T1、T2、T3、T4、三极管Q2和三极管Q4。

本发明作进一步改进，第一路驱动单元包括光耦OP15，其中，所述光耦0P15的原边引脚1通过电阻R8接5V电源，引脚2接驱动芯片U5的HZ SCR DRV1引脚16，副边引脚3接双向可控硅T1控制极，引脚4通过电阻R52接电源DC V+。

所述主控模块包括主控芯片U6分别与主控芯片U6相连的四路开入单元、两路开出单元，1个以上串口单元、指示单元、重置模块及仿真器接口。

进一步地，所述指示单元包括5个LED指示灯，分别用于指示各个模块的运行状态。

本发明作进一步改进，所述双回路永磁开关驱动模块采用一体化设计，其中，所述桥回路为独立模组设置。

本发明作进一步改进，所述储能模块采用阵列式设置，由多个电容组合而成，通过选择电容之间的连线排列方式配置储能模块容量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：整体模块一体化设计，解决分体式安装，体积大，安装工艺复杂而且在安装电容时有高压触电风险；模块带有防短路功能，解决了线圈短路时无法自动检测发现，驱动时烧毁驱动回路的问题；模块带有自动检测功能，解决了驱动回路损坏后无法及时自检发现的问题；驱动回路有主备双回路，解决无备用回路，可靠性低的问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为主控模块、储能模块电路原理图；

图3为电源管理模块电路原理图；

图4为桥回路驱动模块电路原理图；

图5为桥回路和自检模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明整机包括结构相同的主驱动回路1和备用驱动回路2，还包括能够手动切换主驱动回路或备用驱动回路工作的切换模块3，用于外接设备及供电的接口模块4，本发明整个驱动板一体设置，所述主驱动回路1和备用驱动回路2在驱动板上对称设置，包括主控模块、桥回路、桥回路驱动模块、电源管理模块和储能模块，其中，所述主控模块分别与桥回路驱动模块和电源管理模块相连，所述桥回路驱动模块的输出端与桥回路的输入端相连，还包括分别与主驱动回路和备用驱动回路的电源管理模块相连的备用电池，所述储能模块的输入端与电源管理模块输出端相连，所述储能模块的输出端与桥回路输入端相连。

本例的主控板是还设有与桥回路相连的自检模块，所述桥回路驱动模块内设有驱动自检模块的自检驱动支路。

本例的主驱动回路1和备用驱动回路2是核心功能块，负责接收切换模块3的输入信号，内部含有控制系统和储能启动、驱动系统，能够对开关结构进行驱动，切换模块3是驱动回路切换块，由插拔端子构成，采用高强度、高通流能力的端子，在需要切换回路时，通过人工操作插拔端子来实现主备驱动回路切换。接口模块4为10芯国网标准航插接头，主要起到与开关结构、继电保护设备对接功能。采用国家电网标准10芯航插，提供高可靠性和匹配度，使得安装简单且稳定。

电源系统（电源管理模块）设计：单直流电源输入，2路直流电源输出，1路直流电源输出接到储能电容，另1路直流电源输出接到后备锂电池。

本例驱动整机采用全模块一体化结构设计，其中储能模块部分采用阵列式设计方案，由多个小电容组合而成，通过选择电容之间的连线排列方式，可以在不变更外壳结构的情况下，灵活配置容量。本例可以根据不同场合焊接不同物料组合出不同类型的储能电容。

桥回路部分采用独立模组设计方案，在自检发现其损坏后，只需拆解损坏模组并同步更换上新模组即可快速修复，无需拆解整个模块。

如图2所示，本例的板载MCU的CPU选用STM32系列，本例为STM32F030R8，同时带有5路信号指示灯、4路开入、2组开出、1个串口、重置模块U7及仿真器接口JP1。负责驱动桥回路进行自检、动作，驱动控制继电器以便电源系统对电池进行充放电管理。

如图1和图3所示，本例在电源管理模块的前端设有电源输入防护电路，对整个模块及锂电池进行保护。

本例的后备电源为一块高容量锂电池，其带有完善的充放电管理方案。在外部给模块供电时，对锂电池进行充电管理，在外部失电（通过采集电压来判定）时，其能够通过按钮激活给模块供电并维持5分钟，5分钟后自保持继电器J25断开，且保持断开状态等待下次激活。在锂电池充满电的情况下可以进行不少于200次的分合闸操作。

在电池投入使用的情况下，CPU通过采集分压电阻上电压（AIN_DC）来计算当前电池电压，根据电池电压值来启动电池充放电，即通过控制继电器J23断开或闭合，当J23闭合时，对电池进行充电，当J23断开时，不对电池进行充电。

为提高锂电池寿命，提高续航能力，本例的电池管理模块对后备电源采用了如下的管理策略：

1）电池容量在85%以上时不充电；

2）在电量20%-85%之间时，进行充电，充满电后继续浮充2小时以保证彻底充满；

3）在电量0-20%之间时，电池停止供电，防止过放。

如图5所示，所述桥回路采用H桥式回路，桥输入端挂接在储能电容上，通过接收主控系统控制信号，驱动桥臂管导通，从而实现瞬间输出正反大电流。

作为本发明的一个实施例，所述桥回路包括双向可控硅T1、T2、T3、T4，三极管Q2，三极管Q3，光耦OP10、OP11、OP12、OP13，接口J3,其中，

所述双向可控硅T1、T2、T3、T4的控制端和三极管Q2的基极分别接桥回路驱动输出端，双向可控硅T1、T2、T3、T4的1和2脚之间分别并联一个二极管，二极管的正极引脚2分别与双向可控硅接电源负极的1脚相连，所述双向可控硅T1、T2串联后一端与电源VH+相连，另一端接三极管Q2的集电极，所述双向可控硅T3、T4串联后一端与电源VF+相连，另一端接三极管Q2的集电极，负载的一端XQ+接双向可控硅T1、T2之间，负载的另一端XQ-接双向可控硅T3、T4之间，所述负载并接一个稳压二极管D18，

每个双向可控硅并接一个结构相同的光耦支路，其中，双向可控硅T1 的光耦支路中的光耦OP10的原边引脚1分别与电阻R23的电阻R24的一端相连，电阻R23的一端接电源VH+，光耦OP10的原边引脚2分别接电阻R24的另一端接XQ+，光耦OP10的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的T1 KI引脚19，

所述三极管Q2的基极还分别与稳压管D25的K端、电阻R43的一端和三极管Q3的集电极相连，三极管Q2的发射极分别与稳压管D25的A端、电阻R23的另一端、三极管Q3的发射极、电阻R46、电容C1的一端、电阻R100、电阻R85、电阻R93和电阻R1的一端相连，三极管Q3的基极和电阻R46、电容C1的另一端接接口J3的OCP DRV1引脚10，所述电阻R85、电阻R93和电阻R1的另一端接电源DC V-，所述电阻R100的另一端接功放U8的同相输入端，功放U8的反相输入端分别与电阻R103和电阻R104的一端，电阻R103另一端和功放U8的电源负极引脚接地，电阻R104另一端和功放U8的电源正极引脚接5V电源，所述功放U8的输出端分别与电阻R37的一端和二极管D1的正极相连，电阻R37的另一端接接口J3的OCP引脚7。

本例自检模块包括三极管Q4和光耦OP14，所述三极管Q4的基极分别与自检驱动支路输出端、电阻R47的一端、稳压二极管D26的K端相连，所述三极管Q4的集电极与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q4的发射极、电阻R47的另一端、稳压二极管D26的A端分别与电阻R48的一端相连，电阻R48的另一端通过电阻R49与光耦OP14的原边引脚1相连，光耦OP14的原边引脚2与三极管Q2的发射极相连，电阻R50和电阻R51并接在光耦OP14的原边引脚1和引脚2之间，光耦OP14的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的IGBT1 KI引脚11。

如图4所示，所述驱动模块包括驱动芯片U5和分别与驱动芯片U5不同引脚相连的结构相同的6路驱动单元，其中一路驱动单元为自检驱动支路，分别用于驱动双向可控硅T1、T2、T3、T4、三极管Q2和三极管Q4。

第一路驱动单元包括光耦OP15，其中，所述光耦0P15的原边引脚1通过电阻R8接5V电源，引脚2接驱动芯片U5的HZ SCR DRV1引脚16，副边引脚3接双向可控硅T1控制极，引脚4通过电阻R52接电源DC V+。

本例的自检原理为：

驱动回路主要由T1、T2、T3、T4、Q2这5个功率管组成；因此自检主要针对这5个功率管进行。三极管Q4是用于检测的功率管。当需要检测某个功率管时，通过按照指定的序列驱动上述6个管子进行开关，通过并接在每个驱动管上的光耦获取该管的导通信号，CPU读取相应开入信号来分析得出驱动管的检测结果。

运行过程中，CPU定时对两个桥回路进行自检。自检流程如下：

三极管Q2短路检测：打开三极管Q4管，读取开入信号IGBT_KI,若开入信号消失，则说明三极管Q2短路，反之则说明三极管Q2不短路，此时需要进一步检测三极管Q2是否断路；

三极管Q2断路检测：打开三极管Q2，Q4管，读取开入信号IGBT_KI,若开入信号不消失，则说明三极管Q2断路，反之则说明Q2正常。

双向可控硅T1~T4短路检测：同三极管Q2短路检测，打开三极管Q4管，读取相应开入信号，若对应开入消失，则说明此管短路；

双向可控硅T1~T4断路检测：打开三极管Q4管，并逐一打开双向可控硅T1~T4管，读取开入信号，若相应开入信号不消失，则说明此管断路。

当检出异常并两次确认后，CPU自动将桥回路标记并旁路，同时发送告警信息。

自动检修方案输出：

桥回路自检功能会根据自检过程中标记出来的异常步骤点，输出自检信息。维修时只需要根据异常步骤点对应的故障类型进行定位维修即可。

本发明短路检测原理为：

当实际需要出口时，在正式出口前0.5ms驱动对应的T1~T4管和Q2管打开，此时迅速检测R100上电压，在0.1ms内读会电压值，如果上面电压超过规定值，则说明外部线圈有短路现象，则立即收回出口，此时会立即中止后续出口并置位告警。告警信息在重新上电复位后消失。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优势：

（1）整体模块一体化设计，解决分体式安装，体积大，安装工艺复杂而且在安装电容时有高压触电风险；

（2）模块带有防短路功能，解决了线圈短路时无法自动检测发现，驱动时烧毁驱动回路的问题；

（3）模块带有自动检测功能，解决了驱动回路损坏后无法及时自检发现的问题；

（4）驱动回路有主备双回路，解决无备用回路，可靠性低的问题。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：包括结构相同的主驱动回路和备用驱动回路，还包括能够手动切换主驱动回路或备用驱动回路工作的切换模块，用于外接设备及供电的接口模块，所述主驱动回路包括主控模块、桥回路、桥回路驱动模块、电源管理模块和储能模块，其中，所述主控模块分别与桥回路驱动模块和电源管理模块相连，所述桥回路驱动模块的输出端与桥回路的输入端相连，还包括分别与主驱动回路和备用驱动回路的电源管理模块相连的备用电池，所述储能模块的输入端与电源管理模块输出端相连，所述储能模块的输出端与桥回路输入端相连。

2.根据权利要求1所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：还包括与桥回路相连的自检模块，所述桥回路驱动模块内设有驱动自检模块的自检驱动支路。

3.根据权利要求2所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述桥回路采用H桥式回路。

4.根据权利要求3所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述桥回路包括双向可控硅T1、T2、T3、T4，三极管Q2，三极管Q3，光耦OP10、OP11、OP12、OP13，接口J3,其中，

所述双向可控硅T1、T2、T3、T4的控制端和三极管Q2的基极分别接桥回路驱动输出端，双向可控硅T1、T2、T3、T4的1和2脚之间分别并联一个二极管，二极管的正极引脚2分别与双向可控硅接电源负极的1脚相连，所述双向可控硅T1、T2串联后一端与电源VH+相连，另一端接三极管Q2的集电极，所述双向可控硅T3、T4串联后一端与电源VF+相连，另一端接三极管Q2的集电极，负载的一端XQ+接双向可控硅T1、T2之间，负载的另一端XQ-接双向可控硅T3、T4之间，所述负载并接一个稳压二极管D18，

每个双向可控硅并接一个结构相同的光耦支路，其中，双向可控硅T1的光耦支路中的光耦OP10的原边引脚1分别与电阻R23的电阻R24的一端相连，电阻R23的一端接电源VH+，光耦OP10的原边引脚2分别接电阻R24的另一端接XQ+，光耦OP10的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的T1 KI引脚19，

所述三极管Q2的基极还分别与稳压管D25的K端、电阻R43的一端和三极管Q3的集电极相连，三极管Q2的发射极分别与稳压管D25的A端、电阻R23的另一端、三极管Q3的发射极、电阻R46、电容C1的一端、电阻R100、电阻R85、电阻R93和电阻R1的一端相连，三极管Q3的基极和电阻R46、电容C1的另一端接接口J3的OCP DRV1引脚10，所述电阻R85、电阻R93和电阻R1的另一端接电源DC V-，所述电阻R100的另一端接功放U8的同相输入端，功放U8的反相输入端分别与电阻R103和电阻R104的一端，电阻R103另一端和功放U8的电源负极引脚接地，电阻R104另一端和功放U8的电源正极引脚接5V电源，所述功放U8的输出端分别与电阻R37的一端和二极管D1的正极相连，电阻R37的另一端接接口J3的OCP引脚7。

5.根据权利要求4所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述自检模块包括三极管Q4和光耦OP14，所述三极管Q4的基极分别与自检驱动支路输出端、电阻R47的一端、稳压二极管D26的K端相连，所述三极管Q4的集电极与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q4的发射极、电阻R47的另一端、稳压二极管D26的A端分别与电阻R48的一端相连，电阻R48的另一端通过电阻R49与光耦OP14的原边引脚1相连，光耦OP14的原边引脚2与三极管Q2的发射极相连，电阻R50和电阻R51并接在光耦OP14的原边引脚1和引脚2之间，光耦OP14的副边引脚3接地，引脚4接接口J3的IGBT1 KI引脚11。

6.根据权利要求5所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述驱动模块包括驱动芯片U5和分别与驱动芯片U5不同引脚相连的结构相同的6路驱动单元，其中一路驱动单元为自检驱动支路，分别用于驱动双向可控硅T1、T2、T3、T4、三极管Q2和三极管Q4。

7.根据权利要求6所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：第一路驱动单元包括光耦OP15，其中，所述光耦0P15的原边引脚1通过电阻R8接5V电源，引脚2接驱动芯片U5的HZ SCR DRV1引脚16，副边引脚3接双向可控硅T1控制极，引脚4通过电阻R52接电源DC V+。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述主控模块包括主控芯片U6分别与主控芯片U6相连的四路开入单元、两路开出单元，1个以上串口单元、指示单元、重置模块及仿真器接口。

9.根据权利要求1-7任一项所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述双回路永磁开关驱动模块采用一体化设计，其中，所述桥回路为独立模组设置。

10.根据权利要求9所述的可手动切换的双回路永磁开关驱动模块，其特征在于：所述储能模块采用阵列式设置，由多个电容组合而成，通过选择电容之间的连线排列方式配置储能模块容量。

Images