一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的制作方法

1.本发明涉及电气设备技术领域，尤其是涉及一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器。


背景技术：

2.断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kv以上的称为高压电器。断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。已获得了广泛的应用。电的产生、输送、使用中，配电是一个极其重要的环节。配电系统包括变压器和各种高低压电器设备，低压断路器则是一种使用量大面广的电器。
3.低功率直接驱动断路器简称低功率直驱断路器。断路器，是指采用弹簧操作机构或磁控操作机构的断路器。传统的弹簧操作机构的储能电机，在被驱动时的瞬时功率，一般在95w～150w之间。一般的高压电容取电电源的取电功率不大于30w，不能直接驱动该储能电机。本发明一种利用高压电容取电电源直接驱动储能电机的方法，可以使储能电机在较低的驱动功率下能满足储能时间小于15秒的标准要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，解决了储能电机被驱动是瞬时功率过高的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，包括高压电容取电电源、控制器、储能电机驱动模块和储能电机，所述高压电容取电电源与所述控制器连接，所述控制器与所述储能电机驱动模块连接，所述储能电机驱动模块与所述储能电机连接。
6.优选的，所述储能电机驱动模块包括压控电压源、直驱电源电流取样电路和取样电流-反馈电压转换电路，所述直驱电源电流取样电路与所述取样电流-反馈电压转换电路连接，所述取样电流-反馈电压转换电路与所述压控电压源连接。
7.优选的，在储能电机工作的前一阶段，提高输入到所述储能电机的平均功率和转速，用于增加存储在弹簧上的能量；在储能电机工作的后一阶段，储能时间不超过15秒且瞬时功率不超过设定的额定值，并对瞬时功率的峰值进行平滑处理，用于降低电源功率的需求，实现低功率直接驱动。
8.优选的，所述高压电容取电电源包括单相取电电源、两相取电电源和三相取电电源。
9.优选的，所述单相取电电源通过单相母线供电，所述单相取电电源的输出端与所
述控制器连接。
10.优选的，所述两相取电电源包括两个所述单相取电电源，两个所述单相取电电源通过各自对应的所述单相母线供电，两个所述单相取电电源输出端并联后与所述控制器连接。
11.优选的，所述三相取电电源包括三个所述单相取电电源，三个所述单相取电电源通过各自对应的所述单相母线供电，三个所述单相取电电源的输出端并联后与所述控制器连接。
12.优选的，所述单相取电电源功率大于60w。
13.优选的，所述两相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于30w，所述两相取电电源总功率大于60w。
14.优选的，所述三相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于20w，所述三相取电电源总功率大于60w。
15.因此，本发明采用上述结构的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，存在以下有益效果：
16.(1)本发明通过适当提高储能电机的驱动电压，在储能电机工作的前一阶段，提高输入到储能电机的平均功率和储能电机转速，增加存储在弹簧上的能量。在储能电机工作的后一阶段，限制驱动电路输入到储能电机的电流，在保证储能时间不超过标准值(如15秒)的同时使得瞬时功率不超过设定的额定值,即实现了低功率直接驱动断路器。
17.(2)本发明中的瞬时功率的峰值进行了平滑处理(功率平滑的方法应当不限于恒压限流，如恒功率)，从而降低了对电源功率的需求，实现了低功率直接驱动。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的电路图；
20.图2为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的储能电机驱动模块电路图；
21.图3为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的单相取电电源电路图；
22.图4为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的结两相取电电源电路图；
23.图5为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器的三相取电电源电路图；
24.图6为本发明一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器在工作电压29.5v下储能过程实测储能电机电流的数据图；
25.图7为实测的传统24v驱动和本发明驱动方式下的储能电机驱动功率对比图。
具体实施方式
26.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
27.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具
有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
28.实施例一
29.如图1～5所示，本发明提供了一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，包括高压电容取电电源、控制器、储能电机驱动模块和储能电机，高压电容取电电源与控制器连接，控制器与储能电机驱动模块连接，储能电机驱动模块与储能电机连接。储能电机驱动模块包括压控电压源、直驱电源电流取样电路和取样电流-反馈电压转换电路，直驱电源电流取样电路与取样电流-反馈电压转换电路连接，取样电流-反馈电压转换电路与压控电压源连接。储能电机能够满足储能的时间不大于15秒。高压电容取电电源包括单相取电电源、两相取电电源和三相取电电源。单相取电电源通过单相母线供电，单相取电电源的输出端与控制器连接。两相取电电源包括两个单相取电电源，两个单相取电电源通过各自对应的单相母线供电，两个单相取电电源输出端并联后与控制器连接。三相取电电源包括三个单相取电电源，三个单相取电电源通过各自对应的单相母线供电，三个单相取电电源的输出端并联后与控制器连接。单相取电电源功率大于60w。两相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于30w，两相取电电源总功率大于60w。三相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于20w，三相取电电源总功率大于60w。
30.工作原理：储能电机驱动模块采用恒流限压工作模式。实际上电机驱动模块实现了一个分段函数。对于电机驱动模块来说，输入电压是vd，输入电流是id，输入功率是pd，且pd＝vd×
id，储能电机的实时电流为im，有一个预先给定的参数i
dq
，i
dq
就是储能电机驱动模块供电电源的最大工作电流。当储能电机驱动模块供电电源的工作电流小于i
dq
时，该模块实现以下函数：
[0031][0032]
在上式1-1中，vm是电机驱动电压，vd是电机驱动模块的输入电压，pd是电机驱动模块的实时输入功率，im是储能电机的实时电流，p
dq
是电机模块的给定输入功率值，p
dq
和压控电压源的电源转换效率η的乘积就是储能电机得到的实时功率pm，即
[0033]
pm＝η
×vd
×
id＝η
×
pd式1-2
[0034]
一般而言，满足
[0035]
η≥80％式1-3
[0036]
所以，可以近似认为：
[0037]
pm≈pd式1-4
[0038]
这个电机驱动模块还要满足一个条件：直驱电源电流取样电路的功率损失非常小，约等于0，在实际电路实现时很容易满足这个条件。
[0039]
式1-1说明，本电机驱动模块的工作状态是，当ftu提供的电源的功率pd小于设定的功率p
dq
时，忽略压控电压源的电源转换效率η(认为η＝1)，储能电机得到的工作电压是vm＝vd。当ftu提供的电源的功率pd等于大于设定的功率p
dq
时，忽略压控电压源的电源转换效率η(认为η＝1)，储能电机得到的工作电压是vm＝p
dq
/im。
[0040]
直驱电源电流取样电路和取样电流-反馈电压转换电路，将取样电流的电流值按照规定的系数，将取样电流转换为反馈电压。他们的关系满足下式：
[0041]vf
＝kiim式1-5
[0042]
式1-5中，vf是反馈电压。ki是电流-电压转换系数。im是电机的瞬时电流。
[0043]
对于电机的工作电压来说，直驱电源电流流过直驱电源电流取样电路后产生的压降近似为零(一般小于200mv)，所以，可以认为电机的工作电压就是vm。设电机的瞬时等效电阻为r
mt
，则电机的瞬时功率pm为：
[0044][0045]
储能电机工作电压的瞬时值由下式给出：
[0046][0047]
直驱电源电流取样电路的取样方式有两种：a，电阻取样。b，霍尔取样。这两种取样方法进过取样电流-反馈电压转换电路转换成反馈电压vf。反馈电压vf和直驱电源电流id之间的关系见下式：
[0048]vf
＝k
·
id式1-8
[0049]
由反馈电压vf确定的储能电机工作电压vm见下式：
[0050]vm
＝kv·
(v
ref-vf)式1-9
[0051]
式1-9中就是kv压控电压源的电压放大系数。v
ref
是参考基准电压，联解式1-7和式1-9，就可以得到vf，再由式1-8，就可以解算出实际的id是多少。当kv足够大时，由于vm是有限值，所以有：
[0052]vf
＝v
ref
式1-10
[0053]
如图6和图7所示，依据上述原理，实际制作一台样机。样机的高压电容取电电源采用三相取电，取电电源输出电压29.5v。每相额定功率24w，三相总功率72w。储能电机驱动模块设定最大工作电流id＝1.56a，这样，储能电机驱动模块的设定消耗功率(包含储能电机)是p
dq
＝29.5v
×
1.56a＝46.2w。低功率直驱断路器储能过程储能电机实测电流见下图6。传统断路器储能电机实测工作电流见表1-1。
[0054]
表1-1：传统断路器储能过程实测储能电机电流(工作电压24v)
[0055]
[0056][0057]
由表1-1可见，传统的断路器的储能电机最大驱动功率pdmax＝24v
×
3.82a＝91.68w。
[0058]
根据图7所示的曲线，可以明显的看到低功率直驱断路器和传统断路器的巨大区别。新型的低功率直驱断路器的最大驱动功率大大降低，基本就是传统断路器的一半功率。从传统断路器的91.68w下降到46.2w，基本就是传统断路器的一半功率。由于高压电容取电电源的功率不能做的太大，不能直接驱动传统的断路器，而这个低功率直驱方案可以在现在的高压电容取电电源下实现直驱，所以这是重要的技术进步。
[0059]
因此，本发明采用上述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，通过适当提高储能电机的驱动电压，在储能电机工作的前一阶段，提高输入到储能电机的平均功率和储能电机转速，增加存储在弹簧上的能量。在储能电机工作的后一阶段，限制驱动电路输入到储能电机的电流，在保证储能时间不超过标准值(如15秒)的同时使得瞬时功率不超过设定的额定值。并且其瞬时功率的峰值进行了平滑处理(功率平滑的方法应当不限于恒压限流，如恒功率)，从而降低了对电源功率的需求，实现了低功率直接驱动。
[0060]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：包括高压电容取电电源、控制器、储能电机驱动模块和储能电机，所述高压电容取电电源与所述控制器连接，所述控制器与所述储能电机驱动模块连接，所述储能电机驱动模块与所述储能电机连接。2.根据权利要求1所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述储能电机驱动模块包括压控电压源、直驱电源电流取样电路和取样电流-反馈电压转换电路，所述直驱电源电流取样电路与所述取样电流-反馈电压转换电路连接，所述取样电流-反馈电压转换电路与所述压控电压源连接。3.根据权利要求2所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：在储能电机工作的前一阶段，提高输入到所述储能电机的平均功率和转速，用于增加存储在弹簧上的能量；在储能电机工作的后一阶段，储能时间不超过15秒且瞬时功率不超过设定的额定值，并对瞬时功率的峰值进行平滑处理，用于降低电源功率的需求，实现低功率直接驱动。4.根据权利要求3所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述高压电容取电电源包括单相取电电源、两相取电电源和三相取电电源。5.根据权利要求4所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述单相取电电源通过单相母线供电，所述单相取电电源的输出端与所述控制器连接。6.根据权利要求5所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述两相取电电源包括两个所述单相取电电源，两个所述单相取电电源通过各自对应的所述单相母线供电，两个所述单相取电电源输出端并联后与所述控制器连接。7.根据权利要求6所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述三相取电电源包括三个所述单相取电电源，三个所述单相取电电源通过各自对应的所述单相母线供电，三个所述单相取电电源的输出端并联后与所述控制器连接。8.根据权利要求7所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述单相取电电源功率大于60w。9.根据权利要求8所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述两相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于30w，所述两相取电电源总功率大于60w。10.根据权利要求9所述的一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，其特征在于：所述三相取电电源其中任意一相的取电电源功率大于20w，所述三相取电电源总功率大于60w。

技术总结
本发明公开了一种高压电容取电电源低功率直接驱动断路器，属于电气设备技术领域。包括高压电容取电电源、控制器、储能电机驱动模块和储能电机，高压电容取电电源与控制器连接，控制器与储能电机驱动模块连接，储能电机驱动模块与储能电机连接。采用上述低功率直接驱动断路器，通过适当提高储能电机的驱动电压，在储能电机工作的前一阶段，提高输入到储能电机的平均功率和储能电机转速，增加存储在弹簧上的能量。在储能电机工作的后一阶段，限制驱动电路输入到储能电机的电流，在保证储能时间不超过标准值(如15秒)的同时使得瞬时功率不超过设定的额定值。并且其瞬时功率的峰值进行平滑处理，从而降低了对电源功率的需求，实现了低功率直接驱动。实现了低功率直接驱动。实现了低功率直接驱动。


技术研发人员：郭以贺 郑计平 谭明义 汤国平
受保护的技术使用者：江苏丹通电气有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/28