專利名稱：一種基于pwm單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電器自動(dòng)化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PWM單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作相位是隨機(jī)的，在接通和分?jǐn)嚯娏ο到y(tǒng)時(shí)容易產(chǎn)生很大的浪涌電流和很高的感應(yīng)過(guò)電壓，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用壽命和電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量降低。因此，研究斷路器的智能控制技術(shù)既能夠保證供電可靠性，穩(wěn)定性及提高電能質(zhì)量，且對(duì)切實(shí)提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和設(shè)備的使用壽命有著重要意義。同步關(guān)合控制技術(shù)從原理上能有效地削弱斷路器分合閘時(shí)所產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓，其實(shí)質(zhì)是斷 路器動(dòng)、靜觸頭在控制系統(tǒng)的控制下，在電力系統(tǒng)電壓波形的指定相角處關(guān)合，使得空載變壓器、電容器和空載線路等電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入電力系統(tǒng)的一種智能控制技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)于合閘電阻、串聯(lián)電抗器等傳統(tǒng)的抑制暫態(tài)過(guò)程的方法。但是傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)通常是由復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間分散性大，運(yùn)動(dòng)可控性差、響應(yīng)速度慢，因而很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精確控制。真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單，零部件只有彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的40%左右，線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯直接推動(dòng)真空斷路器的主軸作合分閘運(yùn)動(dòng)，無(wú)需傳統(tǒng)的機(jī)械脫扣及鎖扣裝置，這種簡(jiǎn)單、直接的傳動(dòng)方式使得永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘時(shí)間穩(wěn)定且運(yùn)動(dòng)時(shí)間分散性小。因此真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分合閘時(shí)間的精確度方面能夠滿足同步關(guān)合控制技術(shù)的要求。但是，由于環(huán)境條件不同將導(dǎo)致真空斷路器的動(dòng)作時(shí)間具有分散性，例如,在常溫時(shí)永磁材料的矯頑磁力為850kA/m，而當(dāng)溫度為80°C時(shí)，矯頑磁力下降為750kA/m，產(chǎn)生的直接結(jié)果是永磁機(jī)構(gòu)的保持力變小，合成磁場(chǎng)密度降低，進(jìn)而造成斷路器的合閘時(shí)間發(fā)生變化。而同步關(guān)合抑制涌流和過(guò)電壓的效果主要取決于斷路器關(guān)合相位的準(zhǔn)確度，所以控制系統(tǒng)需對(duì)動(dòng)作時(shí)間的分散性進(jìn)行補(bǔ)償。目前傳統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間補(bǔ)償方法是控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各種影響因素進(jìn)行在線檢測(cè)并計(jì)算出由它們引起的動(dòng)作時(shí)間改變的數(shù)值，以確定發(fā)出動(dòng)作信號(hào)的時(shí)刻，此種方法僅能夠?qū)⒎趾祥l時(shí)間誤差控制在±2ms，分合閘相位誤差達(dá)到±36°，但是，同步關(guān)合控制技術(shù)在智能電網(wǎng)中實(shí)用化的前提是關(guān)合時(shí)間的誤差必需在±0.5ms以內(nèi)，這樣才有可能比較精確地控制合閘相位，所以目前的控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中對(duì)涌流和過(guò)電壓的抑制能力較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于PWM的單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法及其裝置，具體有以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):所述基于PWM的單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法，通過(guò)觸頭位置、觸頭速度、機(jī)構(gòu)線圈電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)，觸頭位置環(huán)根據(jù)觸頭位置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，觸頭速度環(huán)根據(jù)觸頭位置環(huán)的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)PWM占空比，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)根據(jù)勵(lì)磁電流以及PWM占空比實(shí)時(shí)控制機(jī)構(gòu)的分合閘操作，其中觸頭位置環(huán)和觸頭速度環(huán)采用模糊PID控制器，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)采用PI控制。所述的方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述模糊PID控制器選用二維模糊PID控制器，觸頭位置環(huán)的輸入變量為位置反饋值和給定位置值的誤差V及誤差變化Λ V，觸頭運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)器輸入變量為速度反饋值和給定轉(zhuǎn)速值的誤差e及誤差變化Λ e,經(jīng)模糊控制器進(jìn)行模糊化后，得到模糊量E和Λ E以及R和Λ R，再通過(guò)模糊推理、模糊決策和反模糊化處理得到的輸出量作為電流環(huán)的給定值。所述的方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述模糊PID控制器的設(shè)計(jì)步驟如下:(I)取7個(gè)語(yǔ)言變量:{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，設(shè)定輸入輸出變量的模糊子集均為:{ΝΒ，匪，MS, Ζ0, PS, PM，PB)，所述語(yǔ)言變量的論域均為:{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6}；(2)設(shè)定隸屬函數(shù)為正態(tài)型隸屬函數(shù)；(3)通過(guò)Mamdani型推理算法進(jìn)行模糊決策，模糊控制規(guī)則如表I所示，最后通過(guò)中心平均法進(jìn)行逆模糊化處理。表I
權(quán)利要求
1.一種基于PWM的單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法，通過(guò)觸頭位置、觸頭速度、機(jī)構(gòu)線圈電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)，其特征在于，觸頭位置環(huán)根據(jù)觸頭位置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，觸頭速度環(huán)根據(jù)觸頭位置環(huán)的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)PWM占空比，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)根據(jù)勵(lì)磁電流以及PWM占空比實(shí)時(shí)控制機(jī)構(gòu)的分合閘操作，其中觸頭位置環(huán)和觸頭速度環(huán)采用模糊PID控制器，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)采用PI控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模糊PID控制器選用二維模糊PID控制器，觸頭位置環(huán)的輸入變量為位置反饋值和給定位置值的誤差V及誤差變化Λ V，觸頭運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)器輸入變量為速度 反饋值和給定轉(zhuǎn)速值的誤差e及誤差變化Λ e，經(jīng)模糊控制器進(jìn)行模糊化后，得到模糊量E和Λ E以及R和Λ R，再通過(guò)模糊推理、模糊決策和逆模糊化處理得到的輸出量作為電流環(huán)的給定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述模糊PID控制器的設(shè)計(jì)步驟如下: (1)取7個(gè)語(yǔ)言變量:{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，設(shè)定輸入輸出變量的模糊子集均為:{NB, NM, MS, ZO, PS, PM，PB)，所述語(yǔ)言變量的論域均為:{_6，-5，-4，-3,-2,-1,0,1,2, 3,4, 5,6}； (2)設(shè)定隸屬函數(shù)為正態(tài)型隸屬函數(shù)； (3)通過(guò)Mamdani型推理算法進(jìn)行模糊決策，模糊控制規(guī)則如表I所示，最后通過(guò)中心平均法進(jìn)行逆模糊化處理。
表I
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電容放電勵(lì)磁的方式，由觸頭的動(dòng)態(tài)特征構(gòu)建動(dòng)態(tài)方程，所述觸頭位置環(huán)根據(jù)動(dòng)態(tài)方程解得線圈電流i，更新PWM輸出順序，控制電容放電速度，所述動(dòng)態(tài)方程在勵(lì)磁線圈電流由零逐漸變大，即動(dòng)鐵芯受的電磁力F小于機(jī)構(gòu)反力f時(shí)為:
5.如權(quán)利要求1-4的任項(xiàng)的所述基于PWM的單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制裝置，與斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)通信連接，其特征在于，包括微處理器、儲(chǔ)能電容、驅(qū)動(dòng)電路、電流信號(hào)采樣電路、觸頭位置檢測(cè)電路、放電控制回路以及相位檢測(cè)電路，所述儲(chǔ)能電容、驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)一整流電路與永磁機(jī)構(gòu)連接，所述電流信號(hào)采樣電路與永磁機(jī)構(gòu)通信連接，所述觸頭位置檢測(cè)電路與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器的觸頭通信連接，所述驅(qū)動(dòng)電路、電流信號(hào)采樣電路、觸頭位置檢測(cè)電路以及相位檢測(cè)電路分別與微處理器通信連接，所述相位檢測(cè)電路連接電源，所述放電控制電路分別與儲(chǔ)能電容以及微處理器通信連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征在于，所述相位檢測(cè)電路由電壓互感器、運(yùn)算放大器、電阻以及電容連接組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征在于，所述電流信號(hào)采樣電路，由霍爾傳感器、兩運(yùn)算放大器以及電阻連接組成，所述霍爾傳感器連接一運(yùn)算放大器的同相輸入端，再與另一運(yùn)算放大器的同相輸入端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)能電容、驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)一整流電路與永磁機(jī)構(gòu)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征在于，所述觸頭位置檢測(cè)電路包括一傳感器與總線收發(fā)器，所述傳感器通過(guò)總線收發(fā)器與微處理器通信連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征在于，所述放電控制電路通過(guò)磁珠以及阻容與儲(chǔ)能電容連接，包括電容電壓檢測(cè)電路與分合閘控制電路，所述電容電壓檢測(cè)電路包括運(yùn)算放大器與線性光耦，所述線性光耦連接于運(yùn)算放大器的同相端，所述分合閘控制電路包括絕緣柵雙極型晶體管與線性光耦，所述線性光耦分別與儲(chǔ)能電容以及絕緣柵雙極型晶體管連接 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于PWM的單穩(wěn)態(tài)真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方法,通過(guò)觸頭位置、觸頭速度、機(jī)構(gòu)線圈電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)，觸頭位置環(huán)根據(jù)觸頭位置調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，觸頭速度環(huán)根據(jù)觸頭位置環(huán)的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)PWM占空比，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)根據(jù)勵(lì)磁電流以及PWM占空比實(shí)時(shí)控制機(jī)構(gòu)的分合閘操作，其中觸頭位置環(huán)和觸頭速度環(huán)采用模糊PID控制器，機(jī)構(gòu)線圈電流環(huán)采用PI控制。其有益效果為提高了機(jī)構(gòu)的同步操作能力和可靠性，以線圈電流檢測(cè)為主，以觸頭行程檢測(cè)為輔，二者相互配合，在斷路器操作過(guò)程中采用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變線圈電流，實(shí)現(xiàn)斷路器分、合閘操作過(guò)程中觸頭運(yùn)動(dòng)特性的閉環(huán)控制，保證動(dòng)作時(shí)間的穩(wěn)定性，提高分合閘相位的精確度。
文檔編號(hào)G05B13/04GK103236372SQ20131011435
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者周建祥, 湯庚, 秦駿達(dá), 林莘 申請(qǐng)人:南京因泰萊配電自動(dòng)化設(shè)備有限公司