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摘要：将分相控制技术引入低压控制电器，设计了一种全新的组合式开关。智能单极开关采用闭环控制技术与独特结构的开关本体结合，通过逻辑单元，可灵活、方便地根据需要组合成多极开关。经MATLAB 仿真与分析，确定了不同负载和接线方式的最佳投切方案，提出了一种适用于组合式开关的智能分相控制思路，并通过了试验验证。
关键词：真空开关；操作智能；自适应控制
目前，低压配电系统中大量使用的交流接触器、断路器等开关的合、分闸相位皆是随机的。关合电容器等负载时，常常产生涌流和过电压，降低了电能质量，造成电气设备绝缘损坏、故障，引起保护电器误动作，影响系统的安全性和可靠性；分闸时的电弧能量大，直接影响电器的电寿命、通断能力，甚至产生熔焊；分闸操作时出现的暂态过程还可能对电力设备的绝缘产生破坏。随着风能、光伏等新能源的发展和矿山、冶金、起重等行业的制造能力大幅提升，对开关电器的容量、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。尽管复合开关有诸多优点，但晶闸管对电压变化率敏感，易误导通、导通压降高、损耗大、成本高。采用同步控制技术，使开关在触头电压和电流的期望相位完成合、分闸，可以有效解决吸合时电力暂态问题及分断电弧，近年来在中高压保护电器中得到了广泛应用。将组合式开关智能控制技术引入频繁操作的控制类电器中，结合自行设计的单极开关，对吸合、吸持和分断全过程进行智能控制，有效地减小触头弹跳，降低电源电压、环境温度变化对吸合时间的影响；吸持功耗小，实现节能、无声运行；分断时，快速消去电磁能量，提高开关分断速度。该开关既可适用于焊机、照明等单极负载的控制场合，又可以灵活地组成二极、三极或多极组合式开关，采用分相控制技术，实现主回路定相合闸、零电流分闸。本文通过理论分析与MATLAB 仿真，得出不同负载和接线方式的投切方案，提出了适用于组合式开关的分相控制思路，并进行了相关试验验证。
1．单极开关控制原理
单极开关由开关本体和智能控制模块组成。通过霍尔电压、电流传感器，智能控制模块检测触头电压、电流零点作为参考时间点，经过触发延时后，发出操作信号；动触头在电磁机构带动下开始运动，最终在预期相位完成合、分闸。智能控制模块以dsPIC（Digital Signal PeripheralInterface Controller）为控制核心，采用数字控制的方式，数据处理能力强、控制灵活，可简化硬件设计；线圈供电回路由全桥整流器和斩波电路组成，吸合、吸持过程均对线圈电流进行闭环控制；分断时，通过瞬态抑制二极管（Transient VoltageSuppressor，TVS）快速去磁，提高分断速度、减小动作分散性；由开关电源为各电路提供辅助电源，效率高、保护功能完善；开关管驱动、线圈电流采样均采用隔离方式，可靠性高。此外，同步信号发生电路用于多极使用时，利于各极之间的信号传递。
1．1 吸合闭环控制系统
开关操作机构由弹簧和电磁系统组成，动作时间具有一定的分散性。通过对线圈电流进行闭环的PWM 斩波控制，使得线圈电流即使在控制电压、环境温度等条件改变时，均能按给定规律变化，提高了机构动作的一致性，并减小触头弹跳。单极开关最主要的特点是将主回路的电压、电流信号引入控制模块中，形成闭环控制。开关频繁操作后，机械传动机构与触头系统都发生了磨损、老化，引起行程变化，导致控制策略失效，因此必须对动作时间进行校正和补偿。利用小波变换对触头电压信号进行分析，确定合闸时刻，获得机构动作时间；结合操作历史记录进行滑动平均计算，修改和调整触发延时，无需位置传感器即可实现动作时间的自动校正。开关必须在电网电压波动情况下能够正常工作。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆输出电流以规定的误差跟踪给定电流变化，每个开关周期之内平均跟踪误差均为零，响应速度快；跟踪控制是闭环的，输入电压、环境温度或电路参数变化，不会影响线圈电流稳
1．1．2 动作时间自校正
运行过程中，开关的动作时间会随着通断次数的变化而发生改变，也将给开关的合、分闸控制带来较大的影响。为了解决这一问题，本文采用了动作时间自校正的控制原理。开关关合时会产生弹跳和电弧，且电弧电压中含有高频分量。只有同时在时域和频域分析触头电压或电流信号，才能提取触头刚合点，从而获得机构的动作时间。小波变换具有时域和频域的局部特性，常用于信号瞬态突变的检测，其中多贝西小波是信号分析和噪声去除的最有力手段之一。因此，将触头电压信号进行多贝西小波变换，确定合闸时刻。
1．2 分断过程仿真与分析
电磁开关采用低压直流的保持方式，实现了节能、无声运行。分断时，磁能无处释放，易在线圈回路中产生过电压，损坏控制模块，必须增加线圈电流的续流回路，但也使得磁能释放时间变长，将影响开关的分断特性。通过分断仿真与分析，提出加快开关分断速度的设计方案，有利于改善开关的分断特性。在PＲOTEUS ISIS 软件中搭建了控制模块的仿真电路，可分析开关运行过程中
线圈电压与电流的变化规律。
1． 3 零点信号提取
电网中电压、电流含大量谐波分量，如何准确地从谐波、脉冲等干扰信号中提出正弦信号的零点是实现定相合闸与零电流分断的关键。常用的硬件比较器检测法受比较器失调电压、高次谐波和白噪声的影响较大，往往造成零点误判。为克服这类缺陷，本文采用数字FIＲ 低通滤波法，具有不含反馈环路、可实现严格线性相位检测等优点，其实质为输入信号与滤波器系数的卷积：
2．组合式开关控制原理
2．1 组合式控制方案
本文提出了一种组合式相位控制方式：各极开关均检测各自触头电压、电流零点，并通过逻辑门组成的同步信号发生电路进行信号传递，结合正负半波判断，自动确定动作顺序。各极开关可自由组合、调换使用，不需要增加相序检测等电路，适应性和通用性较强。通过调整延时时间，使开关在电压零点、峰值或其他指定相角处合闸（定相合闸）；在电流零点分闸。
2．2 分析与仿真
将组合式开关用于关合电容器、空载变压器等特殊负载时，可降低合闸操作的过电流与过电压，具有更加明显的控制优势。以电容器负载为例进行分析：电路可等效为ＲLC 串联。为了验证组合式开关智能分相控制技术的控制效果，采用了纯阻性负载进行零电压合闸与零电流分闸试验。实现了零电压合闸与零电流分闸。
3．结语
本文提出了一种新型组合式开关。根据需要，可作为单极开关，也可自由地组成多极使用；并采用分相控制技术，实现了触头电压定相合闸与零电流分闸。
（1）单极开关性能优良，吸合、吸持过程均采用线圈电流闭环控制，有效地减小触头弹跳与机构动作分散性，实现了节能、无声运行；对电压信号进行小波变换，使得触头系统具有自校正功能；分断时，采用TVS 进行去磁，提高了开关的分断速度。
（2）通过理论分析与MATLAB 仿真，确定了不同负载和接线方式的投切控制方案，有效地减小了合、分闸过程的电磁暂态效应，消除涌流与过电压，拓展了组合式开关的应用范围。
（3）提出了一种适用于组合式开关的分相控制技术，通过逻辑门组成的同步信号发生电路进行信号传递，结合正负半波判断，自动确定动作顺序。各极开关可自由组合、调换使用，不需要增加相序检测等电路，适应性和通用性较强。
参考文献：
[1] 秦涛涛，董恩源，陈宇硕，等． 真空断路器循迹控制［J］． 中国电机工程学报，2014，34（33）：5983-5990．
[2] 仲浩，胡仁杰． 基于电流闭环控制的无功补偿电容器组同步投切装置［J］． 电力系统保护与控制，2012，40（6）：129-134，146．
论文作者:伊琳,王硕
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/19
标签：电流论文; 电压论文; 信号论文; 线圈论文; 闭环论文; 组合式论文; 触头论文; 《电力设备》2017年第31期论文;