一种批量电磁开关的混联控制方法技术

本发明专利技术涉及一种批量电磁开关的混联控制方法，将批量电磁开关的触头系统串并联，利用智能控制技术使批量开关协同动作，实现单触头结构的电磁开关难以完成的大容量线路的频繁通断。方案包括电磁开关混联结构、线圈驱动拓扑和无传感器伺服控制部分。电磁开关混联结构部分实现电磁开关的扩容运行；各单台开关配有独立的线圈驱动拓扑，线圈驱动拓扑部分用于控制开关电磁操动机构的励磁能量；无传感器伺服控制部分用于估计开关的运动位置和运动状态，并根据批量开关运动状态协同优化结果，控制线圈驱动拓扑。在批量开关动作过程中，运动状态协同优化结果使开关逼近最优运动状态运行，兼容各单台开关间动作的差异，并适应不同的用电系统。系统。系统。

【技术实现步骤摘要】
一种批量电磁开关的混联控制方法


[0001]本专利技术涉及低压电器
，特别是一种批量电磁开关的混联控制方法。

技术介绍

[0002]发展新能源已经成为优化能源结构的重要举措，在未来很长一段时间内，新能源仍将持续快速发展。新基建背景下，光伏发电、风力发电等新能源发电装机量不断增长，大型加工设备的应用需求持续增长，矿业、化工、船舶港口、冶金等行业也呈现出快速发展的趋势。随着加工设备的大型化，重型机器在冶金、矿山等地的大量使用，发电机组、各类电动机、变电设备和配电系统的负载显著增加。在实际运行过程中，负载投切、电机正反转控制时，线路中出现的涌流、过载电流的幅值逐渐增加，且二次侧控制回路固有的供电线路较短，导致故障情况下的过载和短路电流水平较高，用于二次侧控制回路的交流电磁开关容量难以满足需求。例如，在龙门刨床中，用于电机正反转控制的电磁开关，由于分断能力不足，出现熔焊。然而，在大功率用电系统中，扩大各相单触头结构的单台电磁开关的容量存在诸多技术瓶颈：触点接触面积有限，大电流下单极触头结构热容量难以继续提升，触头发热严重；开关尺寸受限，导致灭弧室尺寸小，可采用的灭弧调控手段相对较少，难以频繁分断高电压、大电流线路并保持较高的电寿命；灭弧介质和触头材料主要依赖材料特性，增强磁吹，提高分断速度存在上限。
[0003]将多台开关的触头以串、并联方式连接使用，是常见的一种扩容思路。例如，为满足矿山、冶金等行业用于起重机的控制需求将2台1250A交流电磁开关的触头两两并联扩容成1台2000A的交流电磁开关，为满足
>±
550kV直流高压线路开断的速动性要求将6台110kV高速开关串联使用。然而在电磁开关串、并联使用过程中，时常存在利用率低的问题，扩容系数通常小于串并联触头数量，特别是随着主回路线路的容量增大，扩容系数快速下降。在电磁开关触头串、并联使用过程中，触头的分布参数、开关动作过程的协同性、各触头间均压和均流效果、燃弧特性等多种因素限制了开关混联后的通断能力、使用寿命的提升，也限制了其应用场合。在多触头串、并联使用的通断过程中，各触头动作过程的同步性对并联时的电流转移现象、串联时的动态均压效果有直接的影响，因此保证各触头动作过程的同步性和运动状态轨迹是提高混联后通断能力的重要环节。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种批量电磁开关的混联控制方法，不涉及机械参数，批量开关中存在的机械参数的差异不影响各台开关的运动位置观测，为批量开关的控制奠定基础。
[0005]本专利技术采用以下方案实现：一种批量电磁开关的混联控制方法，提供一批量电磁开关的混联控制电路；所述批量电磁开关的混联控制电路包括电磁开关混联结构单元、多个线圈驱动拓扑单元和多个无传感器伺服控制单元；所述电磁开关混联结构单元用于实现电磁开关的扩容运行；所述电磁开关混联结构单元中各单台开关配有独立的线圈驱动拓扑
单元，线圈驱动拓扑单元用于控制所述电磁开关混联结构单元中各开关电磁操动机构的励磁能量；所述无传感器伺服控制单元用于估计所述电磁开关混联结构单元中开关的运动位置和运动状态，并根据批量开关运动状态协同优化结果，控制线圈驱动拓扑；在批量开关动作过程中，运动状态协同优化结果使所述电磁开关混联结构单元逼近最优运动状态运行。
[0006]进一步地，所述电磁开关混联结构单元包括m乘n个触头S和与触头一一对应的m乘n个电磁操动机构K；所述电磁开关混联结构单元由m组相并联的电磁开关组成，每组电磁开关由n台触头S串联的电磁开关组成；各台开关的电磁操动机构相互独立；各开关间通过无线通信方式传递数据，采用分层分组的端到端的通信架构，将各开关分成若干独立的组别，并在各组之间构成“主开关层”和“从开关层”；从开关始终跟随主开关的运动状态轨迹，主开关的轨迹互相协调；在控制目标上，主开关之间以动作一致性为第一目标，当满足第一目标后向最优运动状态轨迹靠近。
[0007]进一步地，所述线圈驱动拓扑单元包括H桥、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、电阻R
coil
和可变电感L
coil
；所述H桥包括电容C、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4；其中，电阻R
coil
和可变电感L
coil
等效电磁操动机构的线圈；并由H桥控制电磁操动机构；所述第一电阻R1的一端与所述第二电阻R2的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与电容C的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与电容C的另一端连接；所述第一开关管Q1的漏极与第二开关管Q2的漏极连接，并均与所述第一电阻R1的另一端连接；所述第一开关管Q1的源极与所述第三开关管Q3的漏极连接，并均与所述电阻R
coil
的一端连接；所述第三开关管Q3的源极分别与所述第三电阻R3的一端和所述第四开关管Q4的源极连接；所述第三电阻R3的另一端与所述第二电阻R2的另一端连接，并同时接地；所述第二开关管Q2的源极与所述第四开关管Q4的漏极连接并均与所述可变电感L
coil
的一端连接；所述电阻R
coil
的另一端与所述可变电感L
coil
的另一端连接。
[0008]进一步地，所述无传感器伺服控制单元用于估计所述电磁开关混联结构单元中各开关的运动位置和运动状态的具体内容为：
[0009]电磁开关动作过程中，动静铁心间气隙改变，电磁机构总磁链变化，产生感应电势，如式(1)所示：
[0010][0011]式中，L
coil
di
coil
/dt为自感电势，表征线圈电流变化产生的电势；i
coil
vdL
coil
/dx为运动电势，表征线圈电感变化产生的电势；L
coil
为线圈电感，i
coil
为线圈电流，x为动铁心位移，v为动铁心速度，ψ为磁链；
[0012]在感应电势中，将自感电势扣除后，可根据运动电势估计动铁心速度，如式(2)所示：
[0013][0014]式中，dL
coil
/dx为线圈电感随铁心位移的变化率，为电磁操动机构的固有参量，可通过磁路计算或有限元仿真方法获取；此外，dL
coil
/dx仅受铁心非线性程度影响，与开关反力弹簧的劲度系数、摩擦力、运动部件质量等机械参数无关，批量开关的劲度系数、摩擦力、
质量等机械参数的差异不影响动铁心速度的估计；因此，根据运动电势估计动铁心速度，由积分获取动铁心的位移，最终实现不依赖机械参数的无位置传感器的电磁开关动作过程观测；
[0015]通常，电磁开关的电磁操动机构采用脉宽调制方式(PWM)控制，线圈电压为方波；利用状态平均方法，计算一个PWM周期内开关电磁操动机构参量的平均变化量，将式(2)离散化，是实用的解决方案，如式(3)所示：
[0016][0017]式中，Δψ为一个PWM周期内的磁链变化量，T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种批量电磁开关的混联控制方法，其特征在于：提供一批量电磁开关的混联控制电路；所述批量电磁开关的混联控制电路包括电磁开关混联结构单元、多个线圈驱动拓扑单元和多个无传感器伺服控制单元；所述电磁开关混联结构单元用于实现电磁开关的扩容运行；所述电磁开关混联结构单元中各单台开关配有独立的线圈驱动拓扑单元，线圈驱动拓扑单元用于控制所述电磁开关混联结构单元中各开关电磁操动机构的励磁能量；所述无传感器伺服控制单元用于估计所述电磁开关混联结构单元中各开关的运动位置和运动状态，并根据批量开关运动状态协同优化结果，控制线圈驱动拓扑；在批量开关动作过程中，运动状态协同优化结果使所述电磁开关混联结构单元逼近最优运动状态运行。2.根据权利要求1所述的一种批量电磁开关的混联控制方法，其特征在于：所述电磁开关混联结构单元包括m乘n个触头S和与触头一一对应的m乘n个电磁操动机构K；所述电磁开关混联结构单元由m组相并联的电磁开关组成，每组电磁开关由n台触头S串联的电磁开关组成；各台开关的电磁操动机构相互独立；各开关间通过无线通信方式传递数据，采用分层分组的端到端的通信架构，将各开关分成若干独立的组别，并在各组之间构成“主开关层”和“从开关层”；从开关始终跟随主开关的运动状态轨迹，主开关的轨迹互相协调；在控制目标上，主开关之间以动作一致性为第一目标，当满足第一目标后向最优运动状态轨迹靠近。3.根据权利要求1所述的一种批量电磁开关的混联控制方法，其特征在于：所述线圈驱动拓扑单元包括H桥、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、电阻R
coil
和可变电感L
coil
；所述H桥包括电容C、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4；其中，电阻R
coil
和可变电感L
coil
等效电磁操动机构的线圈；并由H桥控制电磁操动机构；所述第一电阻R1的一端与所述第二电阻R2的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与电容C的一端连接，所述第二电阻R2的另一端与电容C的另一端连接；所述第一开关管Q1的漏极与第二开关管Q2的漏极连接，并均与所述第一电阻R1的另一端连接；所述第一开关管Q1的源极与所述第三开关管Q3的漏极连接，并均与所述电阻R
coil
的一端连接；所述第三开关管Q3的源极分别与所述第三电阻R3的一端和所述第四开关管Q4的源极连接；所述第三电阻R3的另一端与所述第二电阻R2的另一端连接，并同时接地；所述第二开关管Q2的源极与所述第四开关管Q4的漏极连接并均与所述可变电感L
coil
的一端连接；所述电阻R
coil
的另一端与所述可变电感L
coil
的另一端连接。4.根据权利要求1所述的一种批量电磁开关的混联控制方法，其特征在于：所述无传感器伺服控制单元用于估计所述电磁开关混联结构单元中各开关的运动位置和运动状态的具体内容为：电磁开关动作过程中，动静铁心间气隙改变，电磁机构总磁链变化，产生感应电势，如式(1)所示：式中，L
coil
di
coil
/dt为自感电势，表征线圈电流变化产生的电势；i
coil
vdL
coil
/dx为运动电势，表征线圈电感变化产生的电势；L
coil
为线圈电感，i
coil
为线圈电流，x为动铁心位移，v为动铁心速度，ψ为磁链；在感应电势中，将自感电势扣除后，可根据运动电势估计动铁心速度，如式(2)所示：
式中，dL
coil
/dx为线圈电感随铁心位移的变化率，为电磁操动机构的固有参量，可通过磁路计算或有限元仿真方法获取；此外，dL
coil
/dx仅受铁心非线性程度影响，与开关反力弹簧的劲度系数、摩擦力、运动部件质量等机械参数无关，批量开关的劲度系数、摩擦力、质量等机械参数的差异不影响动铁心速度的估计；因此，根据运动电势估计动铁心速度，由积分获取动铁心的位移，最终实现不依赖机械参数的无位置传感器的电磁开关动作过程观测；通常，电磁开关的电磁操动机构采用脉宽调制方式控制，线圈电压为方波；利用状态平均方法，计算一个PWM周期内开关电磁操动机构参量的平均变化量，将式(2)离散化，是实用的解决方案，如式(3)所示：式中，Δψ为一个PWM周期内的磁链变化量，T
PWM
为PWM周期；其中，dL
coil
/dx是关于线圈电流和动铁心位移的函数，由有限元仿真静态扫描方法得到；Δψ可通过电压平衡方程得到，如式(4)所示：Δψ＝[u
C
(2d
‑
1)
‑
i
coil
R
coil
+δ]T
PWM
(4)式中，u
C
为线圈驱动拓扑的母线电压，d为PWM的占空比，R
coil
为线圈电阻，δ为补偿值。磁链ψ通过累加磁链变化量Δψ得到，但累加过程对误差无抑制作用，需要进行补偿；各PWM周期的误差ε由式(5)估计；式中，n、n
‑
1表示第n、n
‑
1个PWM周期，f(x,i
coil
)为dL
coil
/dx的拟合函数；存储电磁开关一段时间的运行数据，根据式(5)生成各PWM周期的误差量ε
(1)n
、ε
(2)n
；求解使误差量的平方和最低的补偿值δ，并应用到下一PWM周期的计算过程；随后存储新的误差量，重新计算补偿值δ，以此往复，持续进行；根据式(3)、式(5)，实现不依赖含机械参数的无位移传感器的电磁开关运动位置的观测。5.根据权利要求1所述的一种批量电磁开关的混联控制方法，其特征在于：无传感器伺服控制部分控制线圈驱动拓扑的具体实现过程为：在线圈驱动拓扑部分，
由H桥控制电磁操动机构，其中，电阻R
coil
和可变电感L
coil
等效电磁操动机构的线圈；通过电阻R1和R2检测母线电压u
C
和线圈电流i
coil
，并传递至无传感器伺服控制单元；在无传感器伺服控制单元，通过控制线圈驱动拓扑部分H桥的开关管的工作占空比d，实现电磁操动机构的励磁能量的调节，调控动铁心速度，使得开关动作过程的动铁心位移快速跟踪参考值x

【专利技术属性】
技术研发人员：许志红，张长坤，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：