技术领域本发明涉及一种低压电磁开关能量循环控制系统。
背景技术：
为应对全球能源安全、环境污染和气候变化的挑战，未来配电网正进入“互联网+分布式能源”的后碳时期，积极发展能源互联网是中国应对下一次能源革命的主要策略之一。新能源的引入、传统能源的智能管理与合理利用、用电设备自身的节能与相互协调，都是目前研究的热点问题。提高电能在终端能源消费的比重，利用分散的风能、太阳能等可再生能源，因地制宜的发展分布式发电系统，是实现能源互联网的重要途径。由于可再生能源发电的随机性和间歇性，不仅会带来配网系统的电压波动、频率波动，还可能引起保护系统的误动、拒动、灵敏度降低等一系列问题，给系统中的控制开关和保护开关提出了新的要求。而对现有用电系统和用电设备进行能量管理与节能运行是实现能源互联网的另一重要途径。目前低压控制保护开关一方面要拓展新功能适应能源互联网的需求，另一方面通过自身的结构设计和智能控制实现能量利用最大化，将自身的节能降耗用到极致，形成新一代智能控制开关电器。据统计发电设备产生的电能80%以上是通过低压开关电器传输而消耗的，低压开关电器在电力系统中一般作为配套设备，需求量巨大。每新增1万千瓦发电容量，约需要6万—8万件低压设备与之配套，其节能降耗和自身的能源管理有着举足轻重的作用。传统的低压开关电器根据它在电气线路中所处的地位和作用可归纳为配电电器和控制电器。国外从20世纪80年代，我国从20世纪90年代开始在低压终端用电系统中逐步发展了一批外形、结构、安装等具有共同特征并自成体系的低压电器，通常称为终端电器。无论是配电电器、控制电器，还是终端电器，电磁开关都是用量最大的一类。其由电磁系统、触头系统和操作机构组成。传统电磁开关存在以下缺点：（1）动态性能受交流相角的影响电磁机构合闸相角的随机性导致了吸合过程中激磁电流、铁心速度等均随机变化，在某些相角下将出现合闸困难的现象，影响开关工作的可靠性；而在另一些相角下虽能可靠合闸，但会造成动静铁心冲击能量过大，产生严重的触头弹跳，影响其电寿命。（2）工作电压范围窄，抗电压跌落能力差电磁电器的工作电压国标规定为（85%～110%）的额定电压，在临界吸合电压时易产生持续的铁心振动，造成触头熔焊；同时电压过高或过低都有可能引起线圈及铁心的温升上升，功耗增加，甚至导致线圈烧损。无法适应新能源和车载运行等领域。电力系统在运行过程中，由于雷击、短路故障重合闸、企业外部或内部电网故障、大型设备起动等原因，造成供电电压快速下降到额定值的90%～10%，持续时间为10ms到1min，这种现象称为“电压跌落”，俗称“晃电”。如果线圈电压低于最低释放值5～10ms即可引起触头分闸，会使企业设备非计划停工，造成巨大的经济损失。对石油、矿山等连续运行的领域影响巨大。（3）存在交流运行噪声交流电磁电器线圈电压周期性的正弦变化，导致电磁机构中的磁通、吸力也周期性的正弦变化，当吸力小于反力时，铁心就会产生振动和噪声；分磁环是目前解决交流电磁系统闭合状态下振动与噪声的主要措施，但同时分磁环的加入会给电磁系统的设计和分析带来困难；分磁环的存在会给线圈和铁心带来附加损耗和附加温升；分磁环易断裂，影响机械寿命。（4）电磁系统温升较高电磁系统磁化过程中会发生磁滞现象，产生磁滞损耗，在交流激励时存在正反向的反复交替磁化，导致不可忽略的周期性磁滞损耗；铁心中周期性变化的磁通还会感应涡流，产生涡流损耗；采用硅钢片的铁心结构是目前降低磁滞、涡流损耗的主要措施。大容量电磁电器虽采取以上措施，但大部分的保持功耗仍损失在磁滞、涡流及短路环损耗上，使电磁系统温升较高，影响工作安全性及节能效果。因此，直流起动、直流吸持的电磁系统工作状态是智能控制普遍采用的控制模式。（5）存在线圈操作过电压交流电磁电器在进行自动控制时，多采用继电器控制其线圈进行远程分合闸，由于线圈负载强感性的特点，在分断时将产生严重的过电压。随着工控自动化水平的提高，配电电路中存在越来越多的电子电路，线圈过电压可能干扰这些电路的正常工作，甚至造成永久性损坏。由此可见，电磁开关在运行过程中，吸合阶段、吸持阶段、分断阶段所需能量有很大差别，对于频繁操作的电磁开关，其吸合阶段需要较大的能量，克服系统反力，带动触头系统闭合，而吸持阶段只需要一个很小的能量，维持开关处于吸持状态，在分断阶段，开关需要针对正常分断电路和故障分断电路情况选择不同的分断模式。九十年代开始，业界对低压电器的智能化研究工作就已经全面展开。通过智能控制模块实现对开关本体吸合阶段、吸持阶段、分断阶段的全过程控制，提高了开关的整体性能指标。电磁式接触器的智能化控制与设计技术近年来得到广泛的关注。早期提出的智能接触器电磁机构“直流大电流分段吸合、直流小电流吸持”的控制模式，对于大容量接触器存在一定控制难度。以630A交流接触器为例，采用直流强激磁吸合模式，其线圈起动电流峰值可达150A左右，如此之大的起动电流将使电磁机构处于过激励状态，甚至造成电磁机构的磁路饱和，吸合功率增加。同时，电子模块中控制吸合过程的开关管将承受巨大的冲击电流，开关管的电流应力、成本、可靠性都受到影响。并且，接触器线圈属于感性负载，线圈电流不能突变，这种控制方式的吸合电流与吸持电流相差数十倍，在由高压吸合向低压吸持的过程中，线圈电流要由吸合电流连续衰减到吸持电流，如果采用开关电源的供电模式，切换瞬间的大电流从开关电源副边拉出，有可能触发开关电源的过流保护功能或者拉低开关电源的输出电压，造成整个系统的工作不稳定，甚至系统复位，同时也增加了控制电路的抗干扰难度。因此，采用PWM的智能接触器控制模式，近年来得到了认可和发展。Perin，A.J等国外学者及国内西安交通大学等学者，通过快速检测线圈两端的电压或电流，作为反馈信号与参考值比较，从而调节电力电子开关周期或者占空比，闭环调节施加到线圈两端的激磁磁势。西班牙加泰罗尼亚理工大学的Espinosa，A.G等学者对这一思路进行了完善和深入研究，并结合等效磁路和线圈电感提出了动铁心实时位移估算技术，采用模糊控制策略得出PWM每个周期的占空比计算方法，实现了交流接触器的位移闭环控制，减少了起动过程的触头弹跳。福州大学将动铁心速度闭环引入到大容量交流接触器起动过程实时控制，通过检测动铁心运动反电势引起的电流下降斜率来间接反映动铁心速度，在起动过程动铁心速度外环控制电流内环，从而对撞击能量进行直接控制，大幅度减少了起动过程触头弹跳。瑞士的ABB公司研发了在接触器电磁机构中引入控制电路的AF、GAF系列交流和直流接触器，采用PWM闭环控制技术，将宽电压工作概念引入到接触器工控领域，加入门槛电压吸合，避免在临界电压发生触头临界吸合后发生抖颤，烧损触头，从而使其性能指标提升，适应新能源的控制领域；美国的AB公司基于低成本的电流闭环恒电流起动方案中，对接触器线圈电流分断续流回路进行了相应的设计，接到分断信号后，自动打开去磁回路，迅速释放线圈磁能，避免了智能控制带来的释放延时问题。智能控制技术与智能设计技术的结合，导致了开关本体结构的小型化和模块化，使得在开关中融入能量循环控制系统成为可能。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低压电磁开关能量循环控制系统，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低压电磁开关能量循环控制系统，包括：第一电磁模块、第二电磁模块、触头模块、控制模块、能量转换模块、混合储能单元以及双向DC/DC模块；所述第一电磁模块的电源端以及所述第二电磁模块的电源端均与一整流滤波单元相连；所述整流滤波单元与一交/直流电源相连；所述整流滤波单元以及所述交/直流电源均经过电压采样电路与所述控制模块相连；所述第一电磁模块以及所述第二电磁模块的一端与所述控制模块相连；所述第一电磁模块以及所述第二电磁模块的另一端与一联动机构的一端相连，所述联动机构的另一端与所述触头模块的一端相连；所述触头模块的另一端与所述能量转换模块一端相连；所述能量转换模块的另一端与混合储能单元的一端相连；所述混合储能单元的另一端与所述双向DC/DC模块一端相连后接入所述整流滤波单元；所述双向DC/DC模块另一端还与所述控制模块相连。在本发明一实施例中，所述第一电磁模块以及所述第二电磁模块包括依次相连的主电路、电磁机构以及采样电路；所述主电路包括分别与所述整流滤波单元相连的激磁回路、续流回路以及馈能回路；所述电磁机构分别与所述激磁回路、所述续流回路以及所述馈能回路相连；所述采样电路包括分别与所述电磁机构相连的电流采样电路以及电压采样电路，且所述电流采样电路以及电压采样电路均与所述控制模块中的采样单元相连，与所述采样单元相连的实时运算单元对所采集的电流信号以及电压信号进行计算，并通过与所述实时运算单元相连的实时控制单元生成驱动控制信号，经第一驱动单元驱动所述激磁回路、所述续流回路以及馈能回路，进而控制电磁机构的激磁电流。在本发明一实施例中，所述第一电磁模块中的电磁机构以及所述第二电磁模块中的电磁机构通电后产生的电磁力相反。在本发明一实施例中，所述能量转换模块包括依次相连的能量接收单元、接收线圈、补偿网络以及功率变换器；所述能量接收单元与所述补偿网络通过所述接收线圈以场域的形式相连，且用于接收所述触头模块分断过程电弧产生的能量以及分断线路后的剩余能量，所述功率变换器与所述混合储能单元相连，用于调控所述触头模块能量。在本发明一实施例中，所述整流滤波单元经第四电压采样电路连接至所述控制模块中的采样单元，所述第四采样电路采样所述整流滤波单元直流端的电压，用于所述采样单元判断是否启动DC/DC变换器。在本发明一实施例中，所述交/直流电源经第三电压采样电路连接至所述控制模块中的采样单元，所述第三电压采样电路对所述交/直流电源的电压值进行采样，所述采样单元将采样电压作为所述第一电磁模块以及所述第二电磁模块中电磁机构吸合以及分断的判断阈值。在本发明一实施例中，所述双向DC/DC模块包括一双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器一端与所述整流滤波单元直流端相连，另一端与所述混合储能单元相连。在本发明一实施例中，当所述采样单元判断所述整流滤波单元直流端电压超过上限安全阈值电压时，所述双向DC/DC变换器启动，并工作于降压模式，所述整流滤波单元直流端电压经过降压变换对所述混合储能单元充电；所述控制模块中的实时控制单元经过一数模转换电路输出第一电压参考值，该第一电压参考值结合所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元连接处输出的电压反馈值经误差放大后形成第一电压外环；该第一电压外环经一第一补偿环路后提供一第一电流参考值，并与所述混合储能单元充电过程中的反馈电流比较，形成第一电流内环；该第一电流内环输出控制信号至一第二驱动单元，并通过所述双向DC/DC变换器，对输出至所述混合储能单元的电压和电流进行动态稳定调节，直至所述整流滤波单元直流端电压低于所述上限安全阈值电压，关闭所述双向DC/DC变换器。在本发明一实施例中，当所述采样单元判断所述整流滤波单元直流端电压低于下限安全阈值电压时，所述双向DC/DC变换器启动，并工作于升压模式，所述混合储能单元经过升压变换对所述整流滤波单元直流端放电；所述控制模块中的实时控制单元经过一数模转换电路输出第二电压参考值，该第二电压参考值结合所述双向DC/DC变换器与所述整流滤波单元直流端连接处输出的电压反馈值后形成第二电压外环；该第二电压外环经一第二补偿环路后提供一第二电流参考值，并与所述混合储能单元放电过程中的反馈电流比较，形成第二电流内环；该第二电流内环输出控制信号至一第二驱动单元，并通过所述双向DC/DC变换器，对输出至所述整流滤波单元直流端电压进行动态稳定调节。相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、建立能量收集、转移、存储模块，针对电磁系统在运动过程剧烈变化的磁势，将多余的磁能回馈存入混合储能单元，作为电压跌落、故障分断时的后备电源，提供控制系统的功率支撑，提高控制模块运行的可靠性及整机运行效率；2、具有触头模块能量收集单元，建立能量管理机制，形成电磁系统、触头系统之间能量的循环利用通道，实现开关能量动态管理，解决开关频繁操作与高分断能力之间的矛盾，尤其适合在新能源、电动汽车等领域中应用；3、新型电磁系统采用背靠背的磁路结构，具有相互分离的独立磁路，两个电磁系统在控制模块中具有各自独立的闭环控制环节，从而控制电磁系统产生方向不同的电磁力，改变传统电磁系统单纯依靠释放机构进行分断的模式，实现频繁操作和高分断能力灵活控制。附图说明图1为本发明中的低压电磁开关能量循环控制系统的原理图。具体实施方式下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。本发明提供一种低压电磁开关能量循环控制系统，如图1所示，XP为系统输入交/直流电源，为交流或者任意极性的直流电源，采用交流电源时，通过整流滤波单元转换为直流电；若采用直流电源时，任意极性接入均可通过整流滤波单元输出极性确定的直流电，但不进行整流作用，ZL为整流滤波单元，DJ1为通电后能够产生电磁吸力的电磁机构1，JC1为激磁回路1，XL1为续流回路1，KN1为馈能回路1，三者组成电磁机构1的闭环控制主电路1；DL1为电流采样电路1，DY1为电压采样电路1，用于采集电磁机构1的电流、电压信号作为反馈参量；DJ2是通电后能够产生电磁反力的电磁机构2，反力方向是相较于电磁机构1而言，JC2为激磁回路2，XL2为续流回路2，KN2为馈能回路2，三者组成电磁机构2的闭环控制主电路2；DL2为电流采样电路2，DY2为电压采样电路2，用于采集电磁机构2的电流、电压信号作为反馈参量；QD1为驱动电路1，控制模块通过驱动电路1向主电路1和主电路2发出控制信号；CT为触头模块，触头模块用于线路负载的导通和分断；LD为联动机构，电磁机构1和电磁机构2连接后，通过联动机构与触头模块连接，带动触头运动；DY3为电压采样电路3，采集输入电源信号作为电磁开关吸合、分断的判断阈值；HC为混合储能单元，用于存储收集到的电磁系统及触头系统能量，在需要的时候快速释放能量；DC/DC是具有双向功率变换的主电路，简称为双向DC/DC变换器，负责调节整流滤波模块和混合储能单元之间功率的走向；WH1为电压外环1，BH1为补偿环路1，NH1为电流内环1，LC1为充电过程的电流反馈，QD2为驱动电路2，DC1为降压模式时的电压参考1，共同组成双向DC/DC变换器降压模式时的控制环路；WH2为电压外环2，BH2为补偿环路2，NH2为电流内环2，LC2为放电过程的电流反馈2，DC2为升压模式时的电压参考2，共同组成双向DC/DC变换器升压模式时的控制环路；JS为能量接收单元，用于接收触头分断过程电弧产生的能量以及分断线路后的剩余能量，T1为接收线圈，BS为补偿网络，GL为用于触头能量调控的功率变换器；采样单元CY、实时运算单元YS和实时控制单元KZ共同组成数字核心，负责整体控制系统的数字化逻辑编程及反馈参量计算，输出驱动信号；SM为数模转换模块，将数字核心的输出信号转化为模拟参考量。DY4为电压采样电路4，采样整流滤波直流端的电压，用于判断是否启动DC/DC变换器。进一步的，在本实施例中，交/直流电源以任意极性方向接入控制系统后，经过整流滤波电路变为极性方向确定的直流，定义此处为直流端，同时滤除其中的差模及共模干扰信号。电压采样电路3采集输入电源信号输入数字核心的采样单元，经过实时运算单元送入实时控制单元，判断输入电源种类（交流或者直流）、同时判断是否符合起动条件，若达到电磁开关的起动电压阈值，则实时控制单元通过驱动电路1输出驱动信号控制主电路1，起动电磁机构1，起动过程中采样单元实时接收来自电流采样电路1和电压采样电路1反馈的电磁机构1的电流及电压信号，通过实时运算单元计算磁路电感值，通过磁路电感与电磁机构位移的关系，推算电磁机构1运动速度，在实时控制单元中构建数字电流环，电磁机构1的运动速度为数字电流环的输入，电流环输出数字控制参量，通过驱动电路1调节主电路1，激磁回路能够让激磁电流迅速上升，续流回路使得激磁电流连续且缓慢下降，馈能回路使激磁电流快速下降，主电路1根据运动速度的反馈结果在激磁回路、续流回路、馈能回路之间高频切换，从而调整电磁机构1的激磁电流，直接调节电磁吸力，控制触头闭合速度，实现闭环控制。触头闭合后，电磁机构1切换到保持状态，在这个过程中，激磁电流从大到小急剧变化，磁能需要迅速释放，馈能回路完全打开，多余的磁能以激磁电流的形式迅速回馈至整流后的直流端，导致直流端电压不断上升，若不加以限制，存在损坏电路的隐患，造成控制的失败。电压采样电路4始终监测直流端电压，当直流端电压上升超过安全范围，起动DC/DC变换器同时切断输入电源，此时DC/DC变换器工作在降压模式，直流端的电压经过降压变换对混合储能单元充电：定义DC/DC变换器与直流端相连的输出为高压侧，与混合储能单元相连的输出为低压侧。实时控制单元经过数模转换电路给出用于降压模式的电压参考值1，DC/DC变换器低压侧的电压反馈值和电压参考值1经过误差放大形成电压外环，经过补偿环路1提供电流参考值，与充电过程的反馈电流1比较，形成电流内环，内环输出控制信号通过驱动电路2调节DC/DC变换器，能够对输出到混合储能单元的电压和电流同时进行动态稳定调节，此时直流端电压经过降压变换对混合储能单元充电，直流端电压下降到安全范围，完成对电磁机构能量的吸收过程，随后关闭DC/DC变换器，重新接入输入电源，触头处于吸持状态。进一步的，在本实施例中，当触头需要分断，控制系统的输入电源被切断，电压采样电路3检测到电源电压低于分断阈值，实时控制单元驱动馈能回路1打开，电磁机构1迅速退磁，主电路2控制电磁机构2打开，由于采用背靠背的结构方式，磁路分离，因此电磁机构2产生的电磁力方向与电磁机构1相反，调节过程与上述电磁机构1的调节过程相同，这里不再重复描述。由于输入电源已经切断，虽然有电磁机构1的能量回馈，但由于电磁机构1保持时的磁势原本就较小，不足以完全补充电磁机构2起动需要的能量，能量消耗导致直流端电压不断下降，电压检测4监测到电压下降到设定的阈值，开启DC/DC变换器。此时DC/DC变换器处于升压模式，混合储能单元经过升压变换对直流端放电，为电磁机构2的分断提供能量。当变换器处于升压模式，实时控制单元通过数模转换输出升压模式电压参考值2作为电压外环2的输入，电压外环2的另一输入为DC/DC变换器的高压侧电压反馈值，经过补偿环路2输入电流环，作为电流内环2的参考电流值，电流内环2的另一个输入为放电过程的反馈电流2，电压外环2控制电流内环2，电流内环2经过驱动2对高压侧的输出电压进行动态调控，实现混合储能单元的电能向直流端的释放，供给主电路2对电磁机构2进行分断控制。电磁机构1的快速消磁，加速了保持力的消失，同一时间反力不仅由弹簧提供，同时由电磁机构2进行动态调节，保持吸力的快速消失以及反力的增长，此消彼长，因此能够对触头进行快速可控的分断控制。电磁机构带动触头分断的过程中，由于线路感性负载的存在，触头电弧产生并发出强烈的高频电磁场，通过能量收集单元进行电磁、剩余的能量的收集，向外发射，调整补偿网络使接收线圈工作在谐振状态，提高接收电磁能量的效率，功率变换器将接收线圈产生的不稳定电压信号调整为合适的电压信号，从而对混合储能单元进行充电，同一时刻，混合储能单元向直流端放电供给电磁机构2分断动作，这一过程完成了触头向电磁机构能量的转移。电磁机构采用背靠背的磁路结构，具有相互分离的独立磁路，从而产生方向不同的电磁吸力，改变传统低压电磁开关单纯依靠释放机构进行分断的模式。两个电磁机构具有各自独立的闭环控制环节，将闭环反馈的思路贯穿整个触头的分断过程，在分断阶段对刚分速度、分断过程的运动速度、分断结束的碰撞速度进行不同阶段的实时调控；同时通过设立合理的能量管理机制，建立触头能量到电磁机构的转移通道，减小电弧危害，一方面为电磁机构提供功率支撑，减小输入电源的功率输出，另一方面吸收电磁机构自身在运动控制过程中多余的磁能，加速激磁电流的动态响应并加速开关分断进程，将能量回馈存储。以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。