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带能量回馈功能的永磁机构驱动控制器

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资料介绍

提出了一种带有能量回馈功能的永磁机构驱动器.首先,针对双线圈单稳态永磁机构断路器分闸时,驱动器的IGBT通电时间短、线圈电感变化小的特点,进行了电路简化,列出电路充放电微分方程,求得解析式;提出了气隙线性变化模型,推导了合闸过程中电感剧烈变化情况下的二阶变系数微分方程,并通过龙格-库塔法和Matlab数学软件,得到了方程的数值解,从而得到电流、电压曲线和能量回收率.然后对重合闸情况下的电容充电时间进行计算,由于能量回馈功能的引入,使得重合闸情况下电容快速充电至分闸允许电压,提高了重合闸可靠性,达到了节约能量和减小充电器功率的目的.同时通过检测分合闸电容电压来控制IGBT导通时间,维持稳定的机械特性.最后结合实验验证了本文设计方法的有效性和适用性.

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2014年9月

V01．29 No．9

工技学

TRANSACTl0NS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

第29卷第9期

2014

Sep．

能量回功能的永磁机构控制器

李平

(北京航空航天大学

武建文辛超之昊

化科学与气工程学院北京

100191)

自

摘要提出了一种有能量回功能的永磁机构

断路器分器的IGBT通短、

路充放微分方程，求得解析式；提出了气隙

器。首先，

化小的特点，行了

化模型，推了合程中

格．塔法和Matlab数学件，得到了方程的数解，从

和能量回收率。然后重合情况下的容充算，由于能量

，提高了重合可靠性，达到

来控制IGBT

双

圈

永磁机构

化，列出

感烈化情

，

圈

感

路

性

况下的二

系数微分方程，并通

而得到流、

曲

行

回

了

持

功能的引入，使得重合情况下容快速充至分

允

能量和减小充器功率的目的。同分合

通

容

通

，

定的机械特性。最后

合

了本文

方法的有效性和适用性。

控制器

重合

关

中

：能量回

号：TM561

永磁机构

分

for Permanent

Feedback

Actuator

Controller With

Ping

Driving

Energy

Magnet

Wu Jianwen Xin Chao

Zhihao

China)

Zhang

00 1 91

(Beihang University Beijing

Absfract

actuator

controller with

feedback is

permanent

driving

energy

proposed

magnetic

this

to the characteristic of the

device--the turn— on time of the IGBT is

driving

paper．Firstly，according

shortened and the coil inductance will not

actuator breaker with dual coil is

too much when the monostable

magnetic

vary

permanent

and

the

circuit is

discharging

opening--the

simplified，and

charging

differential

are built and the

out．The model of the linear

are deduced when the

equations

analytical expressionsare given

of air

second— order

differential

equations

ordinary

change

gap

presented．The

inductance

in the

numerical solutions of

changes dramatically

curves and

closing．The equations，the

are obtained method and Matlab．

through Runge-Kutta

process

current and

voltage

energy recovery

voltage quickly charged

reclosing．The capacitance

time is calculated when

Secondly，the charging

the

value and the

of the

is the function of

improvedby

feedback

energy

permission

reliability

reclosing

and

the

which achieves the

purpose

saving energy

reducingthe power ofcharger．By measuring

device can maintain the

to control the

turn-on

stability

IGBT

time，the driving

of the

capacitance voltage

the breaker’S mechanical

experiment．

device is verified in the

properties．Finally，the performance

intelligent

controller

Keywords：Energy feedback，permanent magnetic actuator，reclose，driving

况，可分

数量少，

和双

，

构【5一】。由于零部件

引言

构

使得永磁机构的机械寿命特

永磁机构是采用永磁来保持合、分

状或

(容易达到10万次或更高)，并且机械可靠性

只保持合

目，可分

状

的

磁操机构【1‘41。根据圈数

高【8'9】。于永磁机构

构

、寿命、可靠性高

圈和双

圈

构；根据分操作情

的特点，永磁机构在高低开关域均具有广泛的

o，⋯

。

和

用前景【1

国家自然科学基金

助

目(51

177004)。

收稿日期201 3一04．20 改稿日期2013-09— 16

永磁机构的核心之一是永磁机构

器，

万方数据

175

第29卷第9期

李

平等

能量回功能的永磁机构

控制器

器影响着永磁机构的分合速度和响

【比】。

2．2

器

路

的

器采用接触器、晶管作开关器件。然

器的功能就是通控制

圈放，从而控制永磁机构的分与合

圈与路的接如 2所示。Q-和Qz

能

容

分

而接触器具有

分散性大的缺点，不利于精确控

通，但是不能迫关断，

圈与合

。

制：晶管能触

能

容的能量会全部放完，不利于能量的合理利用。

目前一般采用可关断的MOSFET和IGBT作开关

的开通与关断由相的微控制器和

芯片控制。

器件。文献[13】

了一种适用于

器，通两个IGBT控制圈的通

了分合功能。文献E14]禾0用

永磁机构的控制。

机构各有缺点，适用合不同，

磁机构利于加装急分机构。本文

圈

永

磁机构的

方向，

了

式

路

和

永

圈

D，V

双

磁机构

了一种能量回功能的双

器，可以分合圈分

圈

路眦l川7}

of the controller

driving

永磁机构

化，分

Circuit

合

回路分只有一个IGBT开关管，降低了开关

耗，和控制方便。能量回功能可以提

高能量利用率，降低充器的功率，减小器的

整体体和重量，可靠了快速重合功能，降

低了快速重合而引起事故的。同，能

量回功能的引入致了的波，通

整分合 IGBT

使永磁机构断路器具有定的机械特性，

能控制。通分析和比，

功能的有效性和用性。

Fig．2

diagram

分

回路包括分

圈￡。、分

能容C。、

分

开关Q1(含流二极管VDl)；合回路包括

圈工2、合容C2、合开关Q2(含

流二极管VD2)。

合

能

失

容

器工作程分析

容

的

，

通

，

了智

3．1分

程分析

理

了能量回

当

器接收到分命令，Q。通，

圈三l通 Qt形成放回路，等效

容

路

C-、分

如

和

3所示，箭所示

路的等效阻。

流正方向，R。代表三。

2永磁机构

器

2．1

永磁机构

构

本文用的双

所示，主要由

圈￡l、合

在同一心上，因此具有很的磁耦合系数。

圈

永磁机构构如 1

杆、永久磁、静心、分

圈三2和成。分圈与合

心

圈

分

回路放等效

路

circuit

the

opening loop

Fig．3

Equivalent

diagram

when

discharging

在分

置的化而化，但是由于

能量来源于分簧，分

心的运距离很小，圈三．的

化分析，将圈三．的

程中，圈￡，的感会随着

永磁机构的分

只有十几毫秒，

心位

通

感

束，

化不大，所以

了

感

￡，

一个固定，当于合位置

，

永磁机构构

Ll=40．7mH，CI=17．6mF，Rl=1．3Q，

Uo=220V。

容

初始

Structural

of the

permanent magnetic

actuator

Fig．1

diagram

万方数据

176

2014年9月

工技学

根据路列出微分方程

C2争 C2訾％：=。(7)

●

厶Cl争蝎C1 心。=。

初始甜020=Vo，吐o=一‘1(此

考

到参考

方向，所以取号)，得出方程的解

式中Ll— — 圈三l的

感

；

。

C。— —

R1— —

容C。的

阻Rl的

容

甜02=277．2eⅢ sin(21．1t+0．9)+79．2e圳 sin(21．1t)

(8)

阻

通

解微分方程，可以得到

硅=257．4e一16· m sin(21．1t)+73．9e一16-町sin(21．It一0．9)

甜cl=244．2 ^e一16·sin(33．9t+1．1)

(9)

J叭sin(33．9t)

‘=160．6e一16

“：2=一277．2e一16· 町sin(21．It一0．9)一

，＼，k，＼／L

＼，、，、，＼，

(10)

79．2e一1607

“￡1=一244．2e一㈨sin(33．9t一1．1)

sin(21．It一1．81

Q。通14ms后关断，由于

圈￡l会感出一个下正上

感

流不能突

，

利用Matlab 件画出式(2)、式(3)、式(8)、

式(9)的曲，便可得到整个分程的流、

，如 5所示。

的

，

圈￡2

是上正下，此二极管VD2因承受正向降而

通，三2、C2、VD2形成流回路。在关断刻，

曲

f?A

100

磁

的

能不能突，因此圈￡1的磁能厶i三／2

圈三2的磁能Lei'22／2，i，1 圈三】在关断

，￡。圈三2 流初了方便算，

刻

的

流

。

假

耦合系数 l，并且不其他耗，

有

蓬

}II— JII—

～

寸撮

盈：

(5)

(a)分

程

流曲

(b)分

程曲

程

曲

本文

的圈Ll匝数等于圈三2的匝数，

分

所以圈￡：的流初

The curves of

Fig．5

opening process

(6)

吐o=‘l

从初始刻to起，Q1 通，流i1按式(3)

律增容C。的％l按照式(2) 律降

低。 14ms，在fl 刻Ql关断，流矗由零

至一f，，、容C2 阱，从初始 220V开始上

升，t2 刻，f；到达零点，准零反向，但是

由于Q：并没有触通，所以i；不能正向流，合

回路充束。

，

自Q，关断之后，

路

入三2、C2、R：充

很短，所以也近似

感￡z用一个固定代替。等效

状

，由于合回路充

持

的将圈￡：的

路如 4所示，箭方向

定

流正方向。

程

5b中，％到t】

段内，容C】从220V放

段内，容C2从220V充

至195V；，1到t2

至226V，高于220V，但本文

来控制分合 IGBT

的

器能通

通

，从而使永

磁机构断路器达到理想的分合速度和性能。

整个分程中，容C。放的能量

4合回路充等效

路

circuit

of the

closing loop

Fig．4

Equivalent

diagram

charging

(11)

△Q1=qv02一ICiUtl=91．3J

容G得到的能量

when

此

微分方程

万方数据

177

第29卷第9期

李

平等

能量回功能的永磁机构

(12)

控制器

△Q2=1C2U,22_1C2U02=47．1

白：N2／10__．_ S，k2：

。

其

界条件

因此分

程的能量回收率

If=o=fo

j三2

(17)

77：AQ2×100％： ×100％：51．6％(13)

。

91．3

【L2 Ir：fl=厶

路中，由于能量耦合、耗、

等因素，能量回收利用率会小于式(13)的

感

算

化

。

式中L。— — 圈￡2 于分位置的感；

三。— — 圈￡2 于合位置的感。

3．2合

合

程分析

程与分

此外，

有

容

％：与流i2的关系式

程

似，但

通

加

(18)18)

厶：一c2．d-筝2．

52ms，

圈

心从分位置一直运到合位置，合

感的生很大的化，此不能将其

f2一

将

立式(14)、式(16)、式(18)，可得微分方

等效一个固定，等效路如 6所示。

程

(19)

iic2+P(f)zic2+Q(t)uc2=o

式中脚半+二鬲1；Q(f)=等；

If-o=U0，／JC2 lf：o=0。

UC2

利用格．塔法和Matlab数学件，可以得

6合回路放等效

路

到微分方程的数解，并制出流、

Q2关断之后入分回路充

似，可以得到分回路充

曲

。

circuit

of the

closing loop

Fig．6

Equivalent

diagram

状

。与合回

when

discharging

路充

状

的

流、

路方程

曲

。合

程曲

如

7所示，可以得出合

1．6％。

程的能量回收率

⋯ )

№=f2 +

+f2

等式右的第二厶di,rid,) 自感

i2 dL，／(dt)即的反

，第

氙

三

感

化

[15】。如

果要精确地求解方程(14)，

求解程会很复。合

要

合运学方程，

程中，触初始段的

＼

程曲

运

的

是非性的，中后期运基本性，可以近似

程的速度不此，本文模型

化，假速度v 一个常数，那

f的关系式如下所示：

Ill、

f『lI b

合

，

(a)合

程

流曲

(b)合

程

曲

做了相

的

合

7合

么气隙文f)与

The curves of

Fig．7

closing process

(15)

8(t)=一w+磊

t有如下关系：

3．3重合速度分析

于是￡2与

在

行“分一0．3s一合一分”重合的情况下，

如果没有能量回功能，第一次分后，分

降到195V，利用本文的24V／3A恒功率充

容充至201V。

容

(16)

L2：— N2k— toS：— N2,t— toS：

万

一Vf+

一f+k2

器

其充

，

0．3s，

分

式中卜合

圈匝数；

此

行合

，

52ms的合

程，分

容

．卜心截面

；

充

至202V，之后需要再

0．9s将分

∥o— — 磁率；

容充至220V，此可以行第二次分，即合

与

万方数据

178

工技学

2014年9月

第二次分

之

至少需要0．9s；如果有能量回

容充，通

容充至220V，

可以行第二次分，即在种情况下，能量

功能可以第二次分 0．9s的。由于

有合之后立即

力系的安全运行提供了保障。

功

的

。

容C2的

由于高于了220V，充

器

在

能，行合后，能量回

分

不再其充，同 C2由于白放的作用，

慢的下降。

数

此

回

算， 8ms就能将分

如

8c所示，触

分

之后出

了

跳，

是

由于永磁机构使用了液

冲器造成的。

具有了能量回功能，

器

?，，V

t，7V

550

—

分

的能力，

由于能量回功能的引入，分合

余能量没有浪，重新回到了分合

少了充容的充

是有利的。同，由于有能量回功能，充

、

程中的多

容中，减

器

，

于

利

行重

。。。。。。-。一

=≯ — 一．．一

合

100

，o

tl／2

I／ms

器功率可以减小，从而减小了整套

器的体

和

(b)Ql的CE ￡k曲

重量。

／A

波形分析

本文

的

器，

双

圈

永磁

机构断路器行了分合

与重合

。用示

波器

IGBT的CE两端

、圈流以及触

位移波形。合理

推

，分析比了

波形，

100

，．h 50

，／mS

100

tl 12

l／ms

用提供了参考。

4．1

感

流曲

分

程

分析

(c)触行程曲

如

8所示，to 刻，Q，得到触信号后通，

I∥V

z，。V

230

220

此 Q1的CE

几乎零，容

220V加在

分

圈三1两端，由于三。和三2的耦合关系，使得

圈￡2上会感出大 220V的，并且下

与合容c2的220V叠加，形成

，之后按照式(4)的律衰减，

8a所示。与此同容C，的开始按式(2)

律衰减，如 8e所示，分圈三．的流按式

合

正上

，

了Q：的CE高

如

(e)C．

曲

(f)C2

曲

(3)开始上升，如 8d所示，当流上升到一定

，触开始运，分行程开始，如 8c所示。

分

波形

the

curves when

actuator

opening

Fig．8 Experimental

fl 刻，Ql关断，入合回路充

状

。如

4．2合

程

分析

8b所示，由于分

圈三1的漏感作用，在Q】的

合

程与分

程

似，如 9所示。由于

CE端会感出一个尖峰

。

容C，停止放

，

回路参数、合

通

的不同，流达到峰

之

之后的

程

充

器

C，充，所以C。

波形

后在f1 刻关断。

又开始上升。

∥V

550

∥V

550

r1到t2

段，由于VD2的通，Q2的CE

几乎零，此

合

圈三：的

会感到分

圈三l上，并按照式(10)的律衰减，Ql的CE

两端

就是L。的感

叠加上容C。的

。

由于能量回作用，容C2的

开始上升，如

8f所示。

100

，

一

100

，n

，】／2

，／mS

如肌晤

f：刻，流f：零，合回路的充

程

旺

(a)Q二的cE『U“i曲

的

束。Q1、Q2的CE

回

，只承受各自

容

万方数据

179

第29卷第9期

李

平等

能量回功能的永磁机构

控制器

开始放

。

t。刻，Q：关断，同能量回功能

容Cl

充

快速充，而且能在几毫秒之内将容C。的

至220V以上，此可以行分

。

f4 刻，行分指令，容C。开始放

。

10{

∥ms

100

Ii 12

t5 刻，Q。关断，C2

再次被抬升，之后C。和C2的

用下开始上升。

由于能量回的作用，

，，mS

将在充器的作

(c)触行程曲

(d)

感

流曲

f，／V

zfjV

240

220

能量回功能在整个重合

程中起到了重要

的作用，尤其是t，到t4

在t4 刻永磁机构能利的行分指令。

4．4理分析与

段内的快速充，使得

比

5a与 8d、 7a与 9d，可以很明

流在上升程中就已关断，而合

^、

)【J

⋯

【l

100

“

“，：

，i／：

，Ills

，。Ills

的看出，分

e)(’：IUIi，l}{{

1’)(二IU Iltl

流

了最大之后才关断。理

和

的

感

9合

波形

流增

律基本一致。

curves when the actuator

Fig．9

Experimental

closing

中，初始状分合

容均 220V。

行

to 刻，Q2得到触信号后通。

t。到t。段，入合回路的放

t1 刻，Q2关断，此

完一次分，分

，合容被充至223V，由此得到分

量回收率 44．6％。从初始状开始行合，合

容

降到206V，由于能量回

段。

程能

触

已

合上，如 9c

簧的冲作用，跳很小。

段，入分回路的充段。

所示。由于触

f。到f2

之后，合

容

降到115V，由于能量回

，

分

被充至231V，由此得到合

程能

f2 刻，由 9a所示，此 Q2的CE两端

量回收率 7．0％。

下表出了分合

未恢复220V，是由于合

需要充容充一段

4．3重合

在“分-0．3s--合一分”重合情况下，量得

程

耗能量很大，

程能量回收率的理

、

器

合

才能恢复。

。可以看出，理

算

和

数据存在一

定的差，是由于分合

中所用的等效模型与

程中感会化，文

有差异，分

圈与合

到分

容C。与合

容C2

波形，如 10

圈之的耦合系数小于1等因素所致。

所示。

表

能量回收率理

与

Tab．Theoretical and

recoveries

(％)

experimental

energy

(a)(1I

曲

(b)C!

程波形

曲

10 重合

_Fig．10 The waveforms in the

本文

了一种能量回功能的双

圈

永磁机构

器。分合

程的流、

程

行了理

推，

reciosing process

分析了分合

曲

和

，介了分合

表明，能量

t。刻，行分指令，容C。开始放

。

程中的能量流情况。理

功能可以短充

性，同能量回功能可以减小充器的功率，

器的体得到的流波形、能量回收

t．刻，Q．关断，在充器的作用下，容C1

回

，从而提高重合可靠

开始上升；同能量回功能

抬升。

容c2充

，

小

。

0．3s之后，即t2 刻，行合指令，容C2

万方数据

180

2014年9月

工技学

率与理分析基本一致，

的可行性和用性。

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of the bi-stable

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breaker[J]．High

力

。

fitted on

vacuum circuit

high voltage

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