阅读说明：本技术 一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法 (Switch parallel capacity expansion operation control method based on single-pole contactor ) 是由 许志红 张槟鑫 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法,包括以并联方式运行的两相智能电磁开关；电磁开关包括智能控制模块和两个单极接触器；智能控制模块包括同步控制模块和触头状态监测模块、线圈电流控制器、触头采样电路、线圈电压采样电路；触头状态监测模块判断触头工况；当需合闸时,同步控制模块使开关在同步定相的工况下合闸；当需分闸时,同步控制模块使开关相互协调配合在同步零电流的工况下分闸；本发明设计常态与非常态两种线圈电流自适应控制模式,实现两项开关并联扩容运行时的稳定吸持,在两相开关并联运行的全过程进行闭环控制,实现开关分、合闸动作的同步性与吸持过程的自适应控制,能够有效提升开关容量,扩宽应用范围。(The invention provides a switch parallel capacity expansion operation control method based on a single-pole contactor, which comprises two-phase intelligent electromagnetic switches operating in a parallel mode; the electromagnetic switch comprises an intelligent control module and two single-pole contactors; the intelligent control module comprises a synchronous control module, a contact state monitoring module, a coil current controller, a contact sampling circuit and a coil voltage sampling circuit; the contact state monitoring module judges the working condition of a contact; when the switch needs to be switched on, the synchronous control module enables the switch to be switched on under the working condition of synchronous phasing; when the brake is required to be opened, the synchronous control module enables the switches to be coordinated and matched with each other to open the brake under the working condition of synchronous zero current; the invention designs two coil current self-adaptive control modes of a normal state and an abnormal state, realizes stable holding when two switches are connected in parallel and expand capacity, performs closed-loop control in the whole process of the parallel operation of two-phase switches, realizes the synchronism of switch opening and closing actions and the self-adaptive control of the holding process, can effectively improve the switch capacity and widen the application range.)

一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法

技术领域

本发明涉及电力设施技术领域，尤其是一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法。

背景技术

随着国民经济的不断发展，工业以及居民用电负荷的增长驱动着电网规模的不断扩大，电力系统通过自身扩容和网际互联，系统结构更加趋于复杂化，负荷越来越大，正常情况下通过的电流随之增大，同时短路故障发生的频率和短路故障电流数值也随之提升，由于接触器的触头材料和触头结构方面的瓶颈问题很难突破，单断口的接触器的额定通流能力和分断能力难以满足日益增大的电网容量需求，因此大容量开关的扩容运行研究受到国内外学者的高度关注。

在现有材料及结构条件方面无法有效提升接触器通流能力以及分断能力时，采用并联运行是解决开关扩容运行并完成大电流分断的途径之一。西门子公司曾设计将三相并联的真空断路器组成一相使用，用以提升额定分断短路电流值，然而方案成本较高且不易实现同步操作。为满足一些高载流及大电流分断的应用需求，有学者提出将两灭弧室并联开断的方式加以解决，同样对操作机构的同步性要求较高，容易受到机构分散性的影响，无法达到良好的同步分断效果。接触器作为频繁操作的控制电器，若并联运行时分、合闸时动作同步性无法保证，则必然造成其中一相需要通断超出其额定电流等级的主回路电流，影响电器寿命，甚至造成开断失败。

一般情况下，风电及光伏等新能源领域的电气传动系统主电路额定电流等级为1260A~2100A，这便要求接触器具有相应电流等级的产品。目前国内的大容量接触器市场应用最多的以ABB、施耐德电气的产品为主，且都有以触头端并联形式来进行扩容运行的产品。其中ABB的AF1250~AF2650系列产品，电磁系统采用双线圈串联的形式为接触器吸合过程提供足够的电磁吸力，且放置成对角形式有利于提高机构动作的一致性。触头系统采用三极动、静触头并联的形式实现扩容，施耐德LC1系列大容量交流接触器产品在吸合过程进行双线圈并联增大电磁吸力，转为吸持过程时将线圈切换至串联连接，降低吸持功耗，触头系统则采用接线端子出并联扩容使用，在接线端子处进行触头并联，容易引起两相触头两端电阻相差较大，造成电流分布不均的情况。

现有市面上并联运行扩容的接触器并产品均没有在通断操作的同步性上进行有效控制，依赖于接触器本身的触头机构及并联连接形式，容易受到机构磨损及分散性影响。对于频繁操作的电磁开关，在两相开关并联运行的全过程，保证分、合闸动作同步性尤为重要，两个单极接触器有相互独立的电磁系统和触头系统，在方便进行分相控制的同时带来了触头机构的分散性及动作特性差异，因此给分、合闸动作的同步控制带来一定难度。此外，当出现两相开关均流效果较差，或者干路中出现过载，短路故障以及短时耐受实验等大电流非常态情况，造成某一相或者两相开关同时承受超出其额定电流多倍的主回路电流，为防止各相开关因触头电动斥力的突然增加而导致误分断，线圈电流应能够随触头工况状态变化自调整，保证并联运行时各相开关的吸持可靠性。

发明内容

本发明提出一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法，提供了一种基于单极接触器的开关并联扩容运行全过程优化控制方案，设计了常态与非常态两种线圈电流自适应控制方式，建立含触头状态反馈的双闭环控制系统，并实现并联运行的各相开关的同步定相合闸、吸持过程自适应调整、同步零电流分断。

本发明采用以下技术方案。

一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法，用于对通过并联方式扩容的多个开关进行同步控制，所述控制方法包括以并联方式运行的两相智能电磁开关；所述两相智能电磁开关包括智能控制模块和两个单极接触器；所述智能控制模块包括同步控制模块和与之相连的触头状态监测模块、线圈电流控制器、触头采样电路、线圈电压采样电路；所述触头状态监测模块经触头采样电路采集触头信号并判断触头工况；当需合闸时，所述同步控制模块根据触头信号发出同步合闸指令，使并联运行的两相智能电磁开关在同步定相的工况下合闸；当需分闸时，同步控制模块根据触头信号发出同步分闸指令，使并联运行的两相智能电磁开关相互协调配合，在同步零电流的工况下分闸。

所述单极接触器为分设于两个并联支路上的单极接触器K ₁、K ₂。

所述单极接触器K ₁、K ₂均包括线圈；

当智能电磁开关工作时，i _coil1与i _coil2分别为两个单极接触器的线圈电流，I ₁、I ₂分别为各个单极接触器的触头电流，U ₁、U ₂分别为各个单极接触器的触头两端电压，I为干路总电流；

各个单极接触器的触头动作时间为可预先离线测得的各相开关触头的触头吸合与触头分断时间。

当智能电磁开关需进行合闸作业时，若经线圈电压采样电路检测到线圈电压符合上电范围，则同步控制模块首先接收到各相开关触头的上电准备信号；然后对各相开关触头两端电压信号进行零点检测，由于开关为并联运行，因此理论上两相开关触头两端电压信号的幅值和相位均相同，在检测到零点后，结合事先离线测得的开关吸合时间t ₁，再由所需要的合闸相位

确定软件延时时间t ₂，使得

；

在各相开关触头均经过软件延时时间t ₂后，同步控制模块收到各相开关触头的上电完成信号，同步控制模块向各相开关触头发出同步合闸指令，并将线圈电流给定值设为较大的吸合电流值，进入强激磁控制，使得开关触头能够快速动作，经过开关触头机构动作时间后，各相开关触头能够在所选相位闭合。

为了消除各相开关硬件电路响应差异带来的误差，所述各相开关触头的上电准备信号与上电完成信号，均在同步控制模块通过逻辑门电路处理，只有在各相开关上电完成信号均发出的情况下，同步控制模块才能发出同步合闸指令。

所述控制方法中，由

可得：

；

通过对软件延时时间和开关触头吸合时间的相互协调配合，各相开关触头分相控制，经由同步控制模块进行同步合闸信号处理，完成以并联方式运行的两相智能电磁开关的合闸动作的同步控制，确保两相开关触头合闸相位一致，实现两相开关触头的同步定相合闸。

当并两相智能电磁开关从吸合过程转为吸持状态时，所述控制方法使用含触头状态反馈的线圈电流自调整控制方案；

所述线圈电流自调整控制方案为：智能控制模块中的采样电路实时采集开关触头电路信号，同时进行触头电流信号幅值与斜率的快速计算，幅值与斜率的同时计算加速了对触头电流大小的判断速度，由此构成方案中的触头状态检测模块并建立含触头状态反馈的双闭环控制系统，并设计常态与非常态两种线圈电流控制模式，由采集电路将触头状态外环反馈传至线圈电流控制器，由线圈电流控制器改变线圈电流内环给定值，线圈电流控制器采用滞环比较控制，将线圈电流给定值与各相开关实际线圈电流值作比较实现闭环控制。

当线圈电流控制器判断触头电流为大于额定值的非常态电流时，迅速将线圈电流给定值提高至吸合电流，转为强激磁控制，设定吸合时间为强激磁控制时间，在大电流情况产生时迅速将线圈电流调整至足以使开关触头产生较大吸力的安全电流值以确保开关触头保持吸合状态，强激磁控制结束后，线圈电流控制器将线圈电流给定值降低至使得铁芯工作在临界饱和时的线圈电流值，从而保证开关触头强电磁吸力的同时充分提高铁芯利用率；当开关触头电流恢复常态时，线圈电流控制器把线圈电流给定值降低成较小值，使各相开关保持节能运行。

当智能电磁开关需进行同步零电流的分闸作业时，触头状态监测模块首先对各相触头电流进行零点检测，并经由触头电流信号采集电路将实际电流信号传送至智能控制模块，智能控制模块采用滑动平均值滤波算法对电流信号进行软件滤波处理；

智能控制模块对于首先检测到零点的一相开关触头，直接将下电准备信号发送至同步控制模块，并且通过逻辑电路将该相零点检测状况传送至另一相开关触头的同步信号调理电路，使得另一相开关触头不再进行该相开关触头电流的零点检测，而是直接产生下电准备信号，由此消除各相开关触头由于零点检测电路检零误差带来的影响，进一步保证各相开关下电指令的一致性；

然后智能控制模块结合事先测得的开关触头分断时间，配合各相开关触头的软件延时时间，经过软件延时后，向各相开关触头发出下电完成信号，使各开关触头的线圈电流给定值设为零，进入快速分断控制。

在快速分断控制中，以线圈电流控制器控制线圈电流迅速降为零，且使线圈两端电压保持为负压；在经过各相开关机构分断时间后，使得各相开关均在零点相位完全断开，达到确保分断时刻的同步性，让各相开关分断过程基本始终保持并联运行的同步状态。

本发明的优点在于：

1、在合闸时，对并联扩容运行的两相开关进行同步定相合闸控制，将同步合闸信号分为上电准备信号与上电完成信号，分别用于触头两端电压的零点检测与合闸相位的选择，并通过一同步控制模块对两个互相独立的单极接触器合闸过程进行同步控制，将上电准备信号通过同步控制模块中的逻辑电路进行处理，由同步控制模块发出同步合闸信号，可消除硬件电路相应差异带来的误差。

2、在开关吸持时，本发明设计两种常态与非常态电流控制模式，在吸持过程中不断监测电磁开关触头工况状态，自适应调整线圈电流控制模式，改变了吸持过程线圈电流参考值不变的单一节能控制方式。常态控制方式使得电磁开关以节能运行状态保持，建立含触头状态反馈的双闭环控制系统，当触头出现过载、短路故障以及电流短时耐受实验或者并联两相开关出现严重不均流时，某一相开关触头承受超出器其额定电流多倍的主回路电流时，线圈电流控制方式转为非常态控制方式，迅速提高电磁吸力，防止触头误分断，实现电磁开关的稳定吸持。

3、对并联扩容运行的两相开关进行同步零电流分闸控制时，若有一相开关最先检测到触头电流零点，则另外一相开关通过同步控制模块获取该相零点检测状况，随即产生下电准备信号，从而消除了各项开关误差检零误差带来的影响，通过软件延时与各相开关分段时间的相互协调配合，同步控制模块通过发出同和分闸指令，实现各相开关的同步零电流分断，使得整个分断过程各相开关基本处于并联状态。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于单极接触器的开关并联扩容运行控制方法，用于对通过并联方式扩容的多个开关进行同步控制，所述控制方法包括以并联方式运行的两相智能电磁开关；所述两相智能电磁开关包括智能控制模块和两个单极接触器；所述智能控制模块包括同步控制模块和与之相连的触头状态监测模块、线圈电流控制器、触头采样电路、线圈电压采样电路；所述触头状态监测模块经触头采样电路采集触头信号并判断触头工况；当需合闸时，所述同步控制模块根据触头信号发出同步合闸指令，使并联运行的两相智能电磁开关在同步定相的工况下合闸；当需分闸时，同步控制模块根据触头信号发出同步分闸指令，使并联运行的两相智能电磁开关相互协调配合，在同步零电流的工况下分闸。

所述单极接触器为分设于两个并联支路上的单极接触器K ₁、K ₂。

所述单极接触器K ₁、K ₂均包括线圈；

当智能电磁开关工作时，i _coil1与i _coil2分别为两个单极接触器的线圈电流，I ₁、I ₂分别为各个单极接触器的触头电流，U ₁、U ₂分别为各个单极接触器的触头两端电压，I为干路总电流；

各个单极接触器的触头动作时间为可预先离线测得的各相开关触头的触头吸合与触头分断时间。

当智能电磁开关需进行合闸作业时，若经线圈电压采样电路检测到线圈电压符合上电范围，则同步控制模块首先接收到各相开关触头的上电准备信号；然后对各相开关触头两端电压信号进行零点检测，由于开关为并联运行，因此理论上两相开关触头两端电压信号的幅值和相位均相同，在检测到零点后，结合事先离线测得的开关吸合时间t ₁，再由所需要的合闸相位

确定软件延时时间t ₂，使得；

在各相开关触头均经过软件延时时间t ₂后，同步控制模块收到各相开关触头的上电完成信号，同步控制模块向各相开关触头发出同步合闸指令，并将线圈电流给定值设为较大的吸合电流值，进入强激磁控制，使得开关触头能够快速动作，经过开关触头机构动作时间后，各相开关触头能够在所选相位闭合。

为了消除各相开关硬件电路响应差异带来的误差，所述各相开关触头的上电准备信号与上电完成信号，均在同步控制模块通过逻辑门电路处理，只有在各相开关上电完成信号均发出的情况下，同步控制模块才能发出同步合闸指令。

所述控制方法中，由

可得：

；

通过对软件延时时间和开关触头吸合时间的相互协调配合，各相开关触头分相控制，经由同步控制模块进行同步合闸信号处理，完成以并联方式运行的两相智能电磁开关的合闸动作的同步控制，确保两相开关触头合闸相位一致，实现两相开关触头的同步定相合闸。

当并两相智能电磁开关从吸合过程转为吸持状态时，所述控制方法使用含触头状态反馈的线圈电流自调整控制方案；

所述线圈电流自调整控制方案为：智能控制模块中的采样电路实时采集开关触头电路信号，同时进行触头电流信号幅值与斜率的快速计算，幅值与斜率的同时计算加速了对触头电流大小的判断速度，由此构成方案中的触头状态检测模块并建立含触头状态反馈的双闭环控制系统，并设计常态与非常态两种线圈电流控制模式，由采集电路将触头状态外环反馈传至线圈电流控制器，由线圈电流控制器改变线圈电流内环给定值，线圈电流控制器采用滞环比较控制，将线圈电流给定值与各相开关实际线圈电流值作比较实现闭环控制。

当线圈电流控制器判断触头电流为大于额定值的非常态电流时，迅速将线圈电流给定值提高至吸合电流，转为强激磁控制，设定吸合时间为强激磁控制时间，在大电流情况产生时迅速将线圈电流调整至足以使开关触头产生较大吸力的安全电流值以确保开关触头保持吸合状态，强激磁控制结束后，线圈电流控制器将线圈电流给定值降低至使得铁芯工作在临界饱和时的线圈电流值，从而保证开关触头强电磁吸力的同时充分提高铁芯利用率；当开关触头电流恢复常态时，线圈电流控制器把线圈电流给定值降低成较小值，使各相开关保持节能运行。

当智能电磁开关需进行同步零电流的分闸作业时，触头状态监测模块首先对各相触头电流进行零点检测，并经由触头电流信号采集电路将实际电流信号传送至智能控制模块，智能控制模块采用滑动平均值滤波算法对电流信号进行软件滤波处理；

智能控制模块对于首先检测到零点的一相开关触头，直接将下电准备信号发送至同步控制模块，并且通过逻辑电路将该相零点检测状况传送至另一相开关触头的同步信号调理电路，使得另一相开关触头不再进行该相开关触头电流的零点检测，而是直接产生下电准备信号，由此消除各相开关触头由于零点检测电路检零误差带来的影响，进一步保证各相开关下电指令的一致性；

然后智能控制模块结合事先测得的开关触头分断时间，配合各相开关触头的软件延时时间，经过软件延时后，向各相开关触头发出下电完成信号，使各开关触头的线圈电流给定值设为零，进入快速分断控制。

在快速分断控制中，以线圈电流控制器控制线圈电流迅速降为零，且使线圈两端电压保持为负压；在经过各相开关机构分断时间后，使得各相开关均在零点相位完全断开，达到确保分断时刻的同步性，让各相开关分断过程基本始终保持并联运行的同步状态。