CN112435892A

CN112435892A - 一种磁保持操作机构智能控制器

Info

Publication number: CN112435892A
Application number: CN201910736924.0A
Authority: CN
Inventors: 胡春生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-10
Filing date: 2019-08-10
Publication date: 2021-03-02

Abstract

本发明涉及一种磁保持操作机构智能控制器，包括单片机系统、分布电源、操作显示界面、蓝牙通讯模块、时钟、存贮器、桥式驱动、电压测量、脉冲开关充电、开关电源、DC‑DC升压和PFC等电路；连接储能电容、磁保持操动机构的励磁线圈、DC24～DC48V电源或AC85V～AC265V电源，所述智能控制器可以正常工作，监测储能电容电压变化，输出PWM控制信号控制脉冲开关充电电路对储能电容充电；通过人工操作，单片机系统输出脉宽控制信号，通过桥式驱动电路控制储能电容与励磁线圈接通放电，励磁电流驱动磁保持操动机构动作；通过蓝牙通讯模块实现智能手机无线操作，使用时钟电路和EEPROM可以存取实时事件信息。

Description

一种磁保持操作机构智能控制器

技术领域

本发明涉及一种智能化磁保持开关控制器，是磁保持式高低压断路器、接触器驱动电路的智能化改进，属于电力设备控制保护技术领域。

背景技术

近年来出现的磁保持式高低压断路器、接触器，是通过磁保持机构控制器驱动磁保持机构中的动铁芯上、下运动，实现合闸及分闸基本操作功能；一般采用电容、超级电容或电池储能，脉冲励磁电路控制驱动；在实际使用中还存在一些问题，比如：停电时无法分合闸；采用线性电路给储能电容充电，体积较大，速度慢，储能电容储能电压受外部供电电压直接影响；高电压电源电路和低电压电源电路没有严格隔离，容易互相干扰，元器件容易损坏等。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种磁保持操作机构智能型控制器。采用单片机技术，单片机外接时钟电路、存贮器、RS485通讯电路、蓝牙无线通讯电路、显示操作界面组成基本的管理系统，再通过高效脉冲充电电路和电压检测电路对外接储能电容进行充电管理，通过桥式驱动电路将外接的磁保持操动机构励磁线圈正向或反向接通储能电容，使储能电容通过励磁线圈正向或反向放电；正向放电电流可以驱动磁保持操动机构进行合闸操作，反向放电电流可以抵消永磁体磁场，使磁保持操动机构失去永磁体产生的保持力，在外力作用下，磁保持操动机构产生分闸操作。采用最新的电源技术，将AC85V～265V交流电源通过PFC电路输出稳定的DC400V直流电源，将DC24V～48V的直流电源通过变压器逆变升压电源电路输出稳定的DC400V直流电源，DC400V直流电源一路作为储能电容的充电电源，另一路再变换到所需要的低电压系统工作电源，所述磁保持操作机构智能型控制器具有更强的适应能力，在工作现场，只需交流或直流任一种电源提供，就能正常工作，尤其是使用常见的24V备用电池就可以提供工作电源。采用光耦、变压器、分布电源等隔离措施，将高电压电源工作电路和低电压电源工作电路严格隔离，促使单片机管理系统电路不会受到内部高电压电源工作电路或外部电路的干扰。采用特定的软件算法，可以判断脉冲充电电路、外接储能电容和励磁线圈是否正常，可以避免一些常见接线故障而导致系统崩溃。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种磁保持操作机构智能控制器包括单片机系统（1）、DC分布电源（2）、操作显示界面（3）、蓝牙通讯模块（4）、RS485通讯接口（5）、时钟电路（6）、EEPROM（7）、桥式驱动电路（8）、电压测量电路（9）、脉冲开关充电电路（10）、开关电源电路（11）、DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）、整流电路（14）、二极管D1、D2、D3、D4、电容C1和保险管F1；DC-DC变压器逆变升压电路（12）通过二极管D1接入DC24V～DC48V 直流电源，通过二极管D2输出DC400V直流稳压电源；PFC电路（13）通过整流电路（14）、保险管F1接入AC85V～AC265V交流电源，通过二极管D3输出DC400V直流稳压电源；二极管D2、D3的负极合并连接电容C1的正极、开关电源电路（11）和脉冲开关充电电路（10）；开关电源电路（11）输出+12V、+15V、-15V直流电源，再通过DC分布电源（2）输出小于6V的直流电源，分别连接各部份功能电路，提供工作电源；所述磁保持操作机构智能控制器接入储能电容（17）、磁保持操动机构的励磁线圈（16）、DC24～DC48V直流电源或AC85V～AC265V交流电源即可进入工作状态；单片机系统（1）通过数据通信接口分别连接EEPROM（7）、时钟电路（6）、RS485通讯接口（5）、蓝牙通讯模块（4）、操作显示界面（3）；电压测量电路（9）连接储能电容（17），接入被测电压信号，电压测量电路（9）输出储能电容（17）电压相关的待测信号连接单片机系统（1）的输入端口；脉冲开关充电电路（10）通过二极管D4串联连接储能电容（17），单片机系统（1）输出两路PWM控制信号连接脉冲开关充电电路（10），脉冲开关充电电路（10）控制DC400V直流电源产生脉冲充电电流，向储能电容（17）充电；桥式驱动电路（8）分别连接储能电容（17）的正负极、励磁线圈（16）的两端；单片机系统（1）输出四路控制信号连接桥式驱动电路（8），桥式驱动电路（8）控制储能电容（17）和励磁线圈（16）通过正向桥路或反向桥路导通；智能手机（15）通过蓝牙通讯模块（4）无线连接所述磁保持操作机构智能控制器，进行数据交换和分合闸操作。

所述脉冲开关充电电路（10）由推挽驱动电路（20）、脉冲变压器T1、光耦O2、MOS管Q1、Q2、二极管D5、D6、电阻R1～R5和电容C2组成；其中脉冲变压器T1匝比在1～5倍之间，光耦O2使用具有推挽输出的快速响应开关光耦；推挽驱动电路（20）分别连接12V电源、PWM1输入信号和电容C2、脉冲变压器T1的初级线圈组成的串联电路，脉冲变压器T1初级线圈再连接12V电源，脉冲变压器T1次级线圈的输出经电阻R1、R2分压后连接MOS管Q1栅极、二极管D5的负极，MOS管Q1的源极连接电阻R2的另一端、二极管D5的正极、D6的负极、功率电感L1，MOS管Q1的漏极连接DC400V电源，二极管D6正极接地；光耦O2输入端正极串联电阻R3、并联电阻R4后连接PWM2输入信号；光耦O2输出侧连接15V电源和高电压端地线，光耦O2推挽输出口经电阻R5连接MOS管Q2的栅极， MOS管Q2的漏极连接功率电感L1和二极管D4的正极，源极接高电压端地线；PWM1、PWM2脉冲信号同步高电平输入时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC400V直流电源加载到功率电感L1的两端，电流流过功率电感L1，使其储能；PWM1信号保持高电平，PWM2信号由高电平变换至低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，直流电源通过MOS管Q1、功率电感L1和二极管D4输出充电电流，同时，功率电感L1经过二极管D4、续流二极管D6释放储能，输出电流，两个电流叠加，产生高于电源电压的充电电流输出，最大不超过直流电源电压的两倍；PWM1信号复位，PWM1、PWM2信号同时为低电平时，待功率电感L1储能全部释放，经过二极管D4的充电电流停止输出；持续输入设定占空比和宽度的PWM1、PWM2信号，直流电源通过所述脉冲开关充电电路（10）可以产生持续的脉冲充电电流输出。

所述电压测量电路（9）由取样放大电路（19）、输出放大电路（18）、光耦O1组成；光耦O1选用线性光耦，具有一组输入信号、两组输出信号；光耦O1和取样放大电路（19）连接+15V电源和高电压端地线，取样放大电路（19）输入端连接储能电容（17）的正极，输出信号连接光耦O1的输入端，光耦O1的一组输出作为反馈信号接入取样放大电路（19），另一组输出信号连接输出放大电路（18）的输入，输出放大电路（18）输出电压待测信号连接单片机系统（1），所述电压待测信号测量值正比于储能电容（17）的实际电压。

所述桥式驱动电路（8）由IGBT1～IGBT4、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）和二极管D9、D10组成；IGBT1、IGBT2、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）组成桥式驱动电路（8）的下桥路，IGBT3、IGBT4、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）组成桥式驱动电路（8）的上桥路，磁保持操动机构的励磁线圈（16）连接在桥路的中间，分别连接桥式驱动电路（8）上下桥路两端的储能电容正极和高电压端地线可以通过桥路正向或反向接通励磁线圈（16），二极管D9、D10分别与IGBT3、IGBT4反向并联；所述IBGT驱动电路A由光耦O4、二极管D8、电阻R10、R11、R12组成，光耦O4具有推挽输出口，其输出侧连接+15V、-15V电源，推挽输出口串联电阻R12后连接IGBT的G极，二极管D８与R12反向并联；光耦O4输入口依次串联电阻R10、并联电阻R11后连接单片机系统（1）控制信号；所述IGBT驱动电路B由光耦O3、三极管Q3、Q4、二极管D7、电阻R6～R9和电容C3组成，三极管Q3、Q4分别采用NPN、PNP管组成推挽输出电路，三极管Q3的集电极串联二极管D7后连接+15V电源，三极管Q4的集电极连接电阻R8、电容C3和IGBT的E极，三极管Q3、Q4的发射极一起串联电阻R9后连接IGBT的G极，光耦O3输入端串联电阻R6、并联电阻R7后连接单片机系统（1）控制信号，光耦O3输出的集电极连接电容C3、三极管Q3的集电极、二极管D7的负极，光耦O3输出的发射极连接电阻R8和三极管Q3、Q4的基极。单片机系统输出四路控制信号CON1、CON2、CON3、CON4，分别控制IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4；当CON2、CON4为高电平信号、CON1、CON3为低电平时，IGBT2、IGBT4导通，IGBT1、IGBT3截止，储能电容正极通过IGBT4、励磁线圈（16）、IGBT2和高电压端地线接通，储能电容（17）通过桥路正向连接励磁线圈（16）放电，励磁线圈（16）放电电流从H+端流至T+端；当CON2、CON4为低电平信号、CON1、CON3为高电平时，IGBT2、IGBT4截止，IGBT1、IGBT3导通，储能电容正极通过IGBT3、励磁线圈（16）、IGBT1和高电压端地线接通，储能电容（17）通过桥路反向连接励磁线圈（16）放电，励磁线圈（16）放电电流从T+端流至H+端。

如前所述，采用DC分布电源（2）、隔离光耦O1、O2、O3、O4、脉冲变压器T1，使低电压电源工作电路和高电压电源工作电路有效隔离，可以有效避免所述磁保持操作机构智能控制器内部电路相互干扰，确保单片机系统（1）工作稳定。

进一步，前述DC-DC变压器逆变升压电路（12）可以将DC24V～DC48V直流电源逆变升压至DC400V稳定直流电源；PFC电路（13）可以将AC85V～AC265V交流电源变换成DC400V稳定直流电源，功率大于100W；实用过程中，DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）输出直流电源电压不仅限于400V，可以根据实际需要进行电路参数调整，调至不同目标电压的直流电源输出；AC85V～AC265V交流电源除经过PFC电路（13）产生DC400V稳定直流电源外，可以使用BOOST升压电路来实现。

单片机系统（1）连接存贮器EEPROM（7）和时钟电路（6），可以从时钟电路（6）读取实时时间，在存贮器EEPROM（7）存取系统运行参数、实时事件记录和累计运行时间，包括：工作电源电压设定值、异常检测设定值、储能电压设定值、分合闸过流检测设定值、PWM脉冲信号占空比、脉宽设定值、CON1、CON2、CON3、CON4输出信号宽度设定值等，存取断路器、接触器开机、停机、分合闸开关动作、各种异常、应急供电等实时事件记录及累计操作次数、运行时间，掉电不丢失。

智能手机（15）通过标准蓝牙通讯协议与蓝牙通讯模块（4）无线连接，蓝牙通讯模块（4）通过UART通信接口与单片机系统（1）连接，智能手机（15）可以与单片机系统（1）无线通信和联机操作；通过智能手机（15）可以设定和查询单片机系统（1）的工作运行参数和实时时间，可以查询历史事件记录、累计操作次数及运行时间。

单片机系统（1）通过电压测量电路（9）实时监测储能电容（17）电压变化；输出设定脉宽长度和占空比的PWM1、PWM2脉冲信号，脉冲开关充电电路（10）控制DC400V直流电源产生脉冲充电电流，向储能电容（17）充电；当储能电容（17）储能电压上升至异常检测设定值时，根据电学公式dV/dt =I/C，若储能电容（17）的储能电压增加值不在设定值范围内，可以判定储能电容（17）的功能异常；若在前述过程中储能电容（17）的储能电压不能上升到异常检测设定值，可以判定脉冲开关充电电路（10）的功能异常或储能电容（17）未连接异常；在前述测量判断无异常情况下，单片机系统（1）比较储能电容（17）储能电压测量值和设定值，调节PWM1、PWM2脉冲信号输出，可以使储能电容（17）的储能电压稳定在储能电压设定值。

单片机系统（1）接收到合闸或分闸请求信号后，输出一组设定宽度的CON1、CON2、CON3、CON4合闸或分闸控制信号，经过桥式驱动电路（8）的合闸（正向）或分闸（反向）桥路，连通储能电容（17）正负极和励磁线圈（16）两端，储能电容（17）通过励磁线圈（16）正向或反向放电；正向放电电流流过励磁线圈（16）产生正向励磁磁场，与永磁体产生的磁场叠加；受叠加磁场作用产生的吸力，磁保持操动机构动铁芯（衔铁）克服外力，向静铁芯作吸合运动，即产生正向运动，实现磁保持机构断路器、接触器合闸操作过程；合闸操作后，切断储能电容（17）和励磁线圈（16）的放电回路，励磁磁场消失，与静铁芯吸合的动铁芯依靠永磁体磁场产生的吸合力克服外力，保持在吸合状态，即保持合闸状态；反向放电电流流过励磁线圈（16）产生反向励磁磁场，反向励磁磁场抵消永磁体产生的磁场，使静铁芯和动铁芯之间的吸合力下降，当吸合力不能克服外力时，动铁芯在外力的作用下离开静铁芯，产生反向运动，即磁保持机构断路器、接触器分闸操作过程；励磁线圈（16）的电阻、电感值、储能电容（17）的电容量等电参数的不同，储能电容（17）经过励磁线圈（16）放电的过程也不同，调节CON1、CON2、CON3、CON4脉冲信号设定宽度，可以适应不同参数的励磁线圈（16）和储能电容（17），可以优化励磁线圈（16）驱动磁保持操动机构动铁芯的过程；在合闸或分闸操作过程中，单片机系统（1）按固定间隔时间，通过电压测量电路（9）监测储能电容（17）储能电压变化，根据电学公式I=CdV/dt，可以估算每个测量时间段内流过励磁线圈（16）的平均放电电流；当估算的放电电流超过设定保护值时，单片机系统（1）判定为异常状态，进入异常保护处理，防止磁保持操动机构动铁芯止动、励磁线圈匝间短路等异常产生励磁线圈过流，防止桥式驱动电路（8）和励磁线圈（16）因过流而损坏，具有系统保护作用。

AC85V～AC265V交流电源或DC24V～DC48V直流电源两种方式供电，一般情况下均能满足现场供电条件。在应急情况下，采用DC24V备用蓄电池就可以满足所述磁保持机构智能控制器的供电需求，使用非常灵活方便。

附图说明

图1一种磁保持机构智能控制器组成图。

图2电压测量电路和脉冲开关充电电路图。

图3桥式驱动电路图。

具体实施方式

对照图1，一种磁保持操作机构智能控制器包括单片机系统（1）、DC分布电源（2）、操作显示界面（3）、蓝牙通讯模块（4）、RS485通讯接口（5）、时钟电路（6）、EEPROM（7）、桥式驱动电路（8）、电压测量电路（9）、脉冲开关充电电路（10）、开关电源电路（11）、DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）、整流电路（14）、二极管D1、D2、D3、D4、电容C1和保险管F1；DC-DC变压器逆变升压电路（12）通过二极管D1接入DC24V～DC48V 直流电源，通过二极管D2输出DC400V直流稳压电源；PFC电路（13）通过整流电路（14）、保险管F1接入AC85V～AC265V交流电源，通过二极管D3输出DC400V直流稳压电源；二极管D2、D3的负极合并连接电容C1的正极、开关电源电路（11）和脉冲开关充电电路（10）；开关电源电路（11）输出+12V、+15V、-15V直流电源，再通过DC分布电源（2）输出5V、3.3V的直流电源，分别连接各部份功能电路，提供工作电源；所述磁保持操作机构智能控制器接入储能电容（17）、磁保持操动机构的励磁线圈（16）、DC24～DC48V直流电源或AC85V～AC265V交流电源即可进入工作状态；单片机系统（1）通过数据通信接口分别连接EEPROM（7）、时钟电路（6）、RS485通讯接口（5）、蓝牙通讯模块（4）、操作显示界面（3）；电压测量电路（9）连接储能电容（17），接入被测电压信号，电压测量电路（9）输出储能电容（17）电压相关的待测信号连接单片机系统（1）的输入端口；脉冲开关充电电路（10）通过二极管D4串联连接储能电容（17），单片机系统（1）输出两路PWM控制信号连接脉冲开关充电电路（10），脉冲开关充电电路（10）控制DC400V直流电源产生脉冲充电电流，向储能电容（17）充电；桥式驱动电路（8）分别连接储能电容（17）的正负极、励磁线圈（16）的两端；单片机系统（1）输出四路控制信号连接桥式驱动电路（8），桥式驱动电路（8）控制储能电容（17）和励磁线圈（16）通过正向桥路或反向桥路导通；智能手机（15）通过蓝牙通讯模块（4）无线连接所述磁保持操作机构智能控制器，进行数据交换和分合闸操作。

对照图2，所述脉冲开关充电电路（10）由推挽驱动电路（20）、脉冲变压器T1、光耦O2、MOS管Q1、Q2、二极管D5、D6、电阻R1～R5和电容C2组成；其中脉冲变压器T1匝比在1～5倍之间，光耦O2使用TLP250，具有推挽输出的快速响应开关光耦；推挽驱动电路（20）分别连接+12V电源、PWM1输入信号和电容C2、脉冲变压器T1的初级线圈组成的串联电路，脉冲变压器T1初级线圈再连接+12V电源，脉冲变压器T1次级线圈的输出经电阻R1、R2分压后连接MOS管Q1栅极、二极管D5的负极，MOS管Q1的源极连接电阻R2的另一端、二极管D5的正极、D6的负极、功率电感L1，MOS管Q1的漏极连接DC400V电源，二极管D6正极接地；光耦O2输入端正极串联电阻R3、并联R4后连接PWM2输入信号；光耦O2输出侧连接+15V电源和高电压端地线，推挽输出口经电阻R5连接MOS管Q2的栅极， MOS管Q2的漏极连接功率电感L1和二极管D4的正极，源极接高电压端地线；PWM1、PWM2脉冲信号同步高电平输入时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC400V直流电源加载到功率电感L1的两端，电流流过功率电感L1，使其储能；PWM1信号保持高电平，PWM2信号由高电平变换至低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，直流电源通过MOS管Q1、功率电感L1和二极管D4输出充电电流，同时，功率电感L1经过二极管D4、续流二极管D6释放储能，输出电流，两个电流叠加，产生高于电源电压的充电电流输出，最大不超过直流电源电压的两倍；PWM1信号复位，PWM1、PWM2信号同时为低电平时，待功率电感L1储能全部释放，经过二极管D4的充电电流停止输出；持续输入设定占空比和宽度的PWM1、PWM2信号，DC400V直流电源通过所述脉冲开关充电电路（10）可以产生持续的脉冲充电电流输出，且充电电压高、电流大、效率高。

所述电压测量电路（9）由取样放大电路（19）、输出放大电路（18）、光耦O1组成；光耦O1选用线性光耦HCNR200，具有一组输入信号、两组输出信号；取样放大电路（19）和输出放大电路（18）由普通集成电路运放搭建；光耦O1和取样放大电路（19）连接+15V电源和高电压端地线，取样放大电路（19）输入端连接储能电容（17）的正极，输出信号连接光耦O1的输入端，光耦O1的一组输出作为反馈信号接入取样放大电路（19），另一组输出信号连接输出放大电路（18）的输入，输出放大电路（18）输出电压待测信号连接单片机系统（1），所述电压待测信号测量值正比于储能电容（17）的实际电压。

对照图3，所述桥式驱动电路（8）由IGBT1～IGBT4、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）和二极管D9、D10组成；IGBT1、IGBT2、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）组成桥式驱动电路（8）的下桥路，IGBT3、IGBT4、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）组成桥式驱动电路（8）的上桥路，磁保持操动机构的励磁线圈（16）连接在桥路的中间，分别连接桥式驱动电路（8）上下桥路两端的储能电容正极和高电压端地线可以通过桥路正向或反向接通励磁线圈（16），二极管D9、D10分别与IGBT3、IGBT4反向并联；所述IBGT驱动电路A由光耦O4、二极管D8、电阻R10、R11、R12组成，光耦O4采用TLP250，具有推挽输出口，其输出侧连接+15V、-15V电源，推挽输出口串联电阻R12后连接IGBT的G极，二极管D８与R12反向并联；光耦O4输入口依次串联电阻R10、并联电阻R11后连接单片机系统（1）控制信号；所述IGBT驱动电路B由光耦O3、三极管Q3、Q4、二极管D7、电阻R6～R9和电容C3组成；光耦O3采用PC817，三极管Q3、Q4分别采用NPN、PNP管组成推挽输出电路，三极管Q3的集电极串联二极管D7后连接+15V电源，三极管Q4的集电极连接电阻R8、电容C3和IGBT的E极，三极管Q3、Q4的发射极一起串联电阻R9后连接IGBT的G极，光耦O3输入端串联R6、并联R7后连接单片机系统（1）控制信号，光耦O3输出的集电极连接电容C3、三极管Q3的集电极、二极管D7的负极，光耦O3输出的发射极连接电阻R8和三极管Q3、Q4的基极。单片机系统输出四路控制信号CON1、CON2、CON3、CON4，分别控制IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4；当CON2、CON4为高电平信号、CON1、CON3为低电平时，IGBT2、IGBT4导通，IGBT1、IGBT3截止，储能电容正极通过IGBT4、励磁线圈（16）、IGBT2和高电压端地线（电容负极）接通，储能电容（17）通过桥路正向连接励磁线圈（16）放电，励磁线圈（16）放电电流从H+端流至T+端；当CON2、CON4为低电平信号、CON1、CON3为高电平时，IGBT2、IGBT4截止，IGBT1、IGBT3导通，储能电容正极通过IGBT3、励磁线圈（16）、IGBT1和高电压端地线接通，储能电容（17）通过桥路反向连接励磁线圈（16）放电，励磁线圈（16）放电电流从T+端流至H+端。

本例实施中，DC-DC变压器逆变升压电路（12）采用SG3525A集成电路作为控制芯片，参照其推荐电路，可以将DC24V～DC48V直流电源逆变升压至DC400V稳定直流电源；PFC电路（13）采用L6562集成控制芯片，可以将AC85V～AC265V交流电源变换成DC400V稳定直流电源，功率大于100W；实用过程中，DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）输出直流电源电压不仅限于400V，可以根据实际需要进行电路参数调整，调至不同目标电压的直流电源输出；AC85V～AC265V交流电源除经过PFC电路（13）产生DC400V稳定直流电源外，可以使用BOOST升压电路来实现。

单片机系统（1）通过电压测量电路（9）实时监测储能电容（17）电压变化；输出设定脉宽长度和占空比的PWM1、PWM2脉冲信号，脉冲开关充电电路（10）控制DC400V直流电源产生脉冲充电电流，向储能电容（17）充电；当储能电容（17）储能电压上升至异常检测设定值时，根据电学公式dV/dt =I/C，若储能电容（17）的储能电压增加值不在设定值范围内，可以判定储能电容（17）的功能异常；若在前述过程中储能电容（17）的储能电压不能上升到异常检测设定值，可以判定脉冲开关充电电路（10）的功能异常或储能电容（17）未连接异常；在前述测量判断无异常情况下，单片机系统（1）比较储能电容（17）储能电压测量值和设定值，调节PWM1、PWM2脉冲信号输出，可以使储能电容（17）的储能电压稳定在储能电压设定值，储能电压设定值可以在450V以下选取任意值。

单片机系统（1）接收到合闸或分闸请求信号后，输出一组设定宽度的CON1、CON2、CON3、CON4合闸或分闸控制信号，经过桥式驱动电路（8）的合闸（正向）或分闸（反向）桥路，连通储能电容（17）正负极和励磁线圈（16）两端，储能电容（17）通过励磁线圈（16）正向或反向放电；正向放电电流流过励磁线圈（16）产生正向励磁磁场，与永磁体产生的磁场叠加；受叠加磁场作用产生的吸力，磁保持操动机构动铁芯（衔铁）克服外力，向静铁芯作吸合运动，即产生正向合闸运动，实现磁保持机构断路器、接触器合闸操作过程；合闸操作后，切断储能电容（17）和励磁线圈（16）的放电回路，励磁磁场消失，与静铁芯吸合的动铁芯依靠永磁体磁场产生的吸合力克服外力，保持在吸合状态，即保持合闸状态；反向放电电流流过励磁线圈（16）产生反向励磁磁场，反向励磁磁场抵消永磁体产生的磁场，使静铁芯和动铁芯之间的吸合力下降，当吸合力不能克服外力时，动铁芯在外力的作用下离开静铁芯，产生反向分闸运动，即磁保持机构断路器、接触器分闸操作过程；励磁线圈（16）的电阻、电感值、储能电容（17）的电容量等电参数的不同，储能电容（17）经过励磁线圈（16）放电的过程也不同，调节CON1、CON2、CON3、CON4脉冲信号设定宽度，可以适应不同参数的励磁线圈（16）和储能电容（17），可以优化励磁线圈（16）驱动磁保持操动机构动铁芯的过程；在合闸或分闸操作过程中，单片机系统（1）按固定间隔时间，通过电压测量电路（9）监测储能电容（17）储能电压变化，根据电学公式I=CdV/dt，可以估算每个测量时间段内流过励磁线圈（16）的平均放电电流；当估算的放电电流超过设定保护值时，单片机系统（1）判定为异常状态，进入异常保护处理，防止磁保持操动机构动铁芯止动、励磁线圈（16）匝间短路等异常产生励磁线圈（16）过流，防止桥式驱动电路（8）和励磁线圈（16）因过流而损坏，具有系统保护作用。

AC85V～AC265V交流电源或DC24V～DC48V直流电源两种方式供电，一般情况下均能满足现场供电条件。在应急情况下，采用DC24V备用蓄电池就可以满足所述磁保持操作机构智能控制器的供电需求，使用非常方便。

所述一种磁保持操作机构智能控制器，经过实测，具有良好的适用性、抗干扰性。储能电容充电速度快、效率高、不受供电电源电压波动影响。其核心特征是：采用单片机系统管理，输出两个PWM控制信号，使脉冲开关充电电路产生高于供电电源电压的脉冲充电电流，向储能电容充电，且储能电容储能电压可调可控；采用分布电源、继电器、变压器和光耦等隔离元件，将高电压电源电路和低电压电源电路进行有效隔离，提高所述磁保持操作机构智能控制器电路的抗干扰性能；具有交流电源和直流电源输入变换电路，使用更具灵活性，尤其使用24V备用畜电池供电，可以实现应急操作；采用实时时钟和EEPROM芯片，可以存贮系统运行参数和历史实时事件记录；采用蓝牙通讯模块，智能手机可以通过无线通信进行系统运行参数、实时时间的设置和查询、历史实时事件和累计运行时间的查询；通过算法，判定脉冲开关充电电路、储能电容的功能异常和励磁线圈驱动过程中过流保护，可以确保所述磁保持操作机构智能控制器和断路器、接触器在异常条件下的安全工作。未经创造，通过删减所述特征而形成的同类产品均属本发明专利保护范围。

Claims

1.一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于包括单片机系统（1）、DC分布电源（2）、操作显示界面（3）、蓝牙通讯模块（4）、RS485通讯接口（5）、时钟电路（6）、EEPROM（7）、桥式驱动电路（8）、电压测量电路（9）、脉冲开关充电电路（10）、开关电源电路（11）、DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）、整流电路（14）、二极管D1、D2、D3、D4、电容C1和保险管F1；DC-DC变压器逆变升压电路（12）通过二极管D1接入DC24V～DC48V直流电源，通过二极管D2输出DC400V直流稳压电源；PFC电路（13）通过整流电路（14）、保险管F1接入AC85V～AC265V交流电源，通过二极管D3输出DC400V直流稳压电源；二极管D2、D3的负极合并连接电容C1的正极、开关电源电路（11）和脉冲开关充电电路（10）；开关电源电路（11）输出+12V、+15V、-15V直流电源，再通过DC分布电源（2）输出小于6V的直流电源，分别连接各部份功能电路，提供工作电源；所述磁保持操作机构智能控制器接入储能电容（17）、磁保持操动机构的励磁线圈（16）、DC24～DC48V直流电源或AC85V～AC265V交流电源即可进入工作状态；单片机系统（1）通过数据通信接口分别连接EEPROM（7）、时钟电路（6）、RS485通讯接口（5）、蓝牙通讯模块（4）、操作显示界面（3）；电压测量电路（9）连接储能电容（17），接入被测电压信号，电压测量电路（9）输出储能电容（17）电压相关的待测信号连接单片机系统（1）的输入端口；脉冲开关充电电路（10）通过二极管D4串联连接储能电容（17），单片机系统（1）输出两路PWM控制信号连接脉冲开关充电电路（10），脉冲开关充电电路（10）控制DC400V直流电源产生脉冲充电电流，向储能电容（17）充电；桥式驱动电路（8）分别连接储能电容（17）的正负极、励磁线圈（16）的两端，单片机系统（1）输出四路控制信号连接桥式驱动电路（8），桥式驱动电路（8）控制储能电容（17）和励磁线圈（16）通过正向桥路或反向桥路导通；智能手机（15）通过蓝牙通讯模块（4）无线连接所述磁保持操作机构智能控制器，进行数据交换和分合闸操作。

2.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于脉冲开关充电电路（10）由推挽驱动电路（20）、脉冲变压器T1、光耦O2、MOS管Q1、Q2、二极管D5、D6、电阻R1～R5和电容C2组成；其中脉冲变压器T1匝比在1～5倍之间，光耦O2使用具有推挽输出的快速响应开关光耦；推挽驱动电路（20）分别连接12V电源、PWM1输入信号和电容C2、脉冲变压器T1初级线圈组成的串联电路，脉冲变压器T1初级线圈再连接12V电源，脉冲变压器T1次级线圈的输出经电阻R1、R2分压后连接MOS管Q1栅极、二极管D5的负极，MOS管Q1的源极连接电阻R2的另一端、二极管D5的正极、D6的负极、功率电感L1，MOS管Q1的漏极连接DC400V电源，二极管D6正极接地；光耦O2输入端正极串联电阻R3、并联电阻R4后连接PWM2输入信号；光耦O2输出侧连接15V电源和高电压端地线，光耦O2推挽输出口经电阻R5连接MOS管Q2的栅极，MOS管Q2的漏极连接功率电感L1和二极管D4的正极，源极接高电压端地线；PWM1、PWM2脉冲信号同步高电平输入时，MOS管Q1、Q2同时导通，DC400V直流电源加载到功率电感L1的两端，电流流过功率电感L1，使其储能；PWM1信号保持高电平，PWM2信号由高电平变换至低电平后，MOS管Q1导通、Q2截止，直流电源通过MOS管Q1、功率电感L1和二极管D4输出充电电流，同时，功率电感L1经过二极管D4、续流二极管D6释放储能，输出电流，两个电流叠加，产生高于DC400V电源电压的充电电流输出，最大不超过直流电源电压的两倍；PWM1信号复位，PWM1、PWM2信号同时为低电平时，待功率电感L1储能全部释放，经过二极管D4的充电电流停止输出；持续输入设定占空比和宽度的PWM1、PWM2信号，直流电源通过所述脉冲开关充电电路（10）可以产生持续的脉冲充电电流输出。

3.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于电压测量电路（9）由取样放大电路（19）、输出放大电路（18）、光耦O1组成；光耦O1选用线性光耦，具有一组输入信号、两组输出信号；光耦O1和取样放大电路（19）连接+15V电源和高电压端地线，取样放大电路（19）输入端连接储能电容（17）的正极，输出信号连接光耦O1的输入端，光耦O1的一组输出作为反馈信号接入取样放大电路（19），另一组输出信号连接输出放大电路（18）的输入，输出放大电路（18）输出电压待测信号连接单片机系统（1），所述电压待测信号测量值正比于储能电容（17）的实际电压。

4.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于桥式驱动电路（8）由IGBT1～IGBT4、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）和二极管D9、D10组成；IGBT1、IGBT2、IGBT驱动电路A（21）、IGBT驱动电路A（22）组成桥式驱动电路（8）的下桥路，IGBT3、IGBT4、IGBT驱动电路B（23）、IGBT驱动电路B（24）组成桥式驱动电路（8）的上桥路，磁保持操动机构的励磁线圈（16）连接在桥路的中间，分别连接桥式驱动电路（8）上下桥路两端的储能电容正极和高电压端地线可以通过桥路正向或反向接通励磁线圈（16），二极管D9、D10分别与IGBT3、IGBT4反向并联；所述IBGT驱动电路A由光耦O4、二极管D8、电阻R10、R11、R12组成，光耦O4具有推挽输出口，其输出侧连接+15V、-15V电源，光耦O4推挽输出口串联电阻R12后连接IGBT的G极，二极管D８与R12反向并联；光耦O4输入口依次串联电阻R10、并联电阻R11后连接单片机系统（1）控制信号；所述IGBT驱动电路B由光耦O3、三极管Q3、Q4、二极管D7、电阻R6～R9和电容C3组成，三极管Q3、Q4分别采用NPN、PNP管组成推挽输出电路，三极管Q3的集电极串联二极管D7后连接+15V电源，三极管Q4的集电极连接电阻R8、电容C3和IGBT的E极，三极管Q3、Q4的发射极一起串联电阻R9后连接IGBT的G极，光耦O3输入端串联电阻R6、并联电阻R7后连接单片机系统（1）控制信号，光耦O3输出的集电极连接电容C3、三极管Q3的集电极、二极管D7的负极，光耦O3输出的发射极连接电阻R8和三极管Q3、Q4的基极。

5.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于采用DC分布电源（2）、隔离光耦O1、O2、O3、O4、脉冲变压器T1，使低电压电源工作电路和高电压电源工作电路有效隔离，避免所述磁保持操作机构智能控制器内部电路相互干扰，确保单片机系统（1）工作稳定。

6.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于DC-DC变压器逆变升压电路（12）、PFC电路（13）输出直流电源电压不仅限于400V，可以根据实际需要进行电路参数调整，调至不同目标电压的直流电源输出；AC85V～AC265V交流电源除经过PFC电路（13）输出DC400V稳定直流电源外，可以使用BOOST升压电路来实现。

7.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于单片机系统（1）连接存贮器EEPROM（7）和时钟电路（6），可以从时钟电路（6）读取实时时间，在存贮器EEPROM（7）存取系统运行参数、实时事件记录和累计运行时间，掉电不丢失。

8.根据权利要求1所述一种磁保持操作机构智能控制器，其特征在于智能手机（15）通过标准蓝牙通讯协议与蓝牙通讯模块（4）无线连接，蓝牙通讯模块（4）通过UART通信接口与单片机系统（1）连接，智能手机（15）可以与单片机系统（1）无线通信和联机操作；通过智能手机（15）可以设定和查询单片机系统（1）的工作运行参数和实时时间，可以查询历史事件记录、累计操作次数及运行时间。