真空開關(guān)低分散性永磁操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

程 顯，陳占清，何 周，袁端磊，鐘建英

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

真空開關(guān)低分散性永磁操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

程 顯1,2，陳占清1，何 周2，袁端磊2，鐘建英2

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

為抑制真空開關(guān)分閘、合閘操作引起的暫態(tài)影響，分析了真空開關(guān)分閘、合閘時的受力情況及對其操動精度的影響因素，仿真計算了永磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性；設(shè)計了一個自適應(yīng)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)對真空開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的勵磁電流、機(jī)構(gòu)行程實(shí)時監(jiān)測，通過驅(qū)動IGBT有序控制操動機(jī)構(gòu)電容放電，有效修正其動作分散性；增加系統(tǒng)電壓、電流相位檢測單元后可實(shí)現(xiàn)設(shè)定相位準(zhǔn)確動作.測試結(jié)果證明，控制系統(tǒng)可以明顯降低真空開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的動作分散性，且操動機(jī)構(gòu)分閘、合閘動作分散性控制在±500 μs以內(nèi).

真空開關(guān)；自適應(yīng)控制；永磁機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)行程；勵磁電流；動作分散性

0 引言

真空開關(guān)分閘、合閘瞬間系統(tǒng)電壓和電流相位通常是隨機(jī)的，當(dāng)其分合并聯(lián)電容器組、電抗器、空載變壓器以及空載線路時常會產(chǎn)生幅值、頻率很高的涌流和過電壓[1-2].這些過電壓波形給開關(guān)和其他一次設(shè)備的絕緣壽命帶來不良影響，也影響電能質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性[3-5].若真空開關(guān)在有利的系統(tǒng)電壓或電流相位動作，則操作對系統(tǒng)及其他一次設(shè)備的影響將降到最低，同時也可提高真空開關(guān)在復(fù)雜條件下開斷短路電流的能力，而能否在有利相位完成分閘、合閘動作，主要由真空開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的動作分散性決定[6-9].

低分散性斷路器技術(shù)在國外已有三十多年的研究歷史，目前已大量應(yīng)用于并聯(lián)電容器組、空載變壓器和電抗器等負(fù)荷的正常投切，然而國內(nèi)該技術(shù)的研究應(yīng)用仍處于探索階段，并未批量用于抑制電網(wǎng)操作過電壓.目前，國內(nèi)多家研究單位針對該技術(shù)的控制實(shí)現(xiàn)方案、控制策略等開展相關(guān)研究，以期開發(fā)出可進(jìn)行工程推廣的實(shí)用技術(shù)產(chǎn)品[10-12].

筆者在歸納影響真空開關(guān)分閘、合閘精度因素的基礎(chǔ)上分析永磁機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性；采用高速采樣技術(shù)、PWM驅(qū)動技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)，設(shè)計一種可實(shí)現(xiàn)操動機(jī)構(gòu)低分散性的永磁操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，其可應(yīng)用于10 kV、35 kV電壓等級的真空開關(guān).

1 操動機(jī)構(gòu)選型與動態(tài)特性分析

在合適的系統(tǒng)電壓或電流相位進(jìn)行分閘、合閘操作可在一定程度上提高真空開關(guān)的動作成功率，這對真空開關(guān)機(jī)械特性提出較高需求；三相獨(dú)立動作還對操動機(jī)構(gòu)體積提出了小型化要求；真空斷口承受電壓與真空間隙長度成正比，若操動速度低,真空間隙將發(fā)生重?fù)舸?，這要求操動機(jī)構(gòu)的動作速度較高；同時考慮到便于控制方案實(shí)施,還對其受外界因素影響的參量多少進(jìn)行了限制.

綜合各種因素，最終選取單線圈永磁機(jī)構(gòu)為操動機(jī)構(gòu).永磁機(jī)構(gòu)通過勵磁線圈驅(qū)動，勵磁線圈的電壓、電流值僅需通過控制電解電容器容量、充電電壓和精確放電調(diào)節(jié).溫度變化對操動機(jī)構(gòu)性能影響、真空開關(guān)觸頭彈跳及觸頭的磨損老化也都是設(shè)計低分散性操動機(jī)構(gòu)時需重點(diǎn)考慮的問題.設(shè)計中永磁機(jī)構(gòu)與真空開關(guān)相連實(shí)現(xiàn)開斷，要求合閘速度為0.7 m/s，分閘速度為1.7 m/s.

1.1 永磁機(jī)構(gòu)動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型

電容對永磁機(jī)構(gòu)線圈放電勵磁的過程是一動態(tài)能量轉(zhuǎn)換過程，該過程數(shù)學(xué)模型可構(gòu)建如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

ψ(t0)=ψ(t0),v(t0)=0,x(t0)=0,Uc(0)=U.

(5)

式中，v(t)為動鐵芯運(yùn)動速度；x(t)為動鐵芯位移；F(t)、Ff(t)為動鐵芯所受電磁吸力和系統(tǒng)反力；m為歸算到動鐵芯的質(zhì)量；ψ為線圈耦合磁鏈.其中，ζ=0時為機(jī)構(gòu)觸動過程，ζ=1時為機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程.

1.2 合閘過程動態(tài)特性

基于上述模型運(yùn)用matlab及相關(guān)軟件對永磁操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的受力、合閘速度、位移及電源電壓、勵磁電流進(jìn)行仿真計算，如圖1所示.圖1(a)為合閘受力曲線，其中真空泡反力包括分閘簧、觸頭壓力簧壓力及斷路器自閉力，電磁吸力大于真空泡反力時觸頭開始合閘動作.隨著合力的變化，動鐵芯在合閘初期迅速加速，即將到達(dá)合閘位置時急劇減速，避免觸頭彈跳.圖1(b)為合閘速度和位移曲線，合閘速度約為2 m/s，高于要求合閘速度0.7 m/s(剛合點(diǎn)前6 mm內(nèi)平均速度)，提供了合閘調(diào)速區(qū)間.由圖1(c)中電容電壓變化曲線可知，單次合閘操作電容電壓下降約30 V，能量消耗較小,可進(jìn)行多次操作.

1.3 分閘過程動態(tài)特性

永磁機(jī)構(gòu)分閘過程的動態(tài)特性如圖2所示.圖2(a)的分閘受力曲線中，真空泡反力包括觸頭彈簧壓力和自閉力.由圖2(b)可計算出分閘速度約為2.6 m/s，大于要求分閘速度1.7 m/s，有分閘調(diào)速空間.單次分閘操作電容電壓最大下降25 V，電容剩余能量可完成下次合閘操作.

經(jīng)以上仿真分析可知，永磁操動機(jī)構(gòu)動態(tài)分合閘過程中的機(jī)械特性、電氣特性滿足低分散性真空開關(guān)的實(shí)際設(shè)計要求.

圖1 永磁機(jī)構(gòu)合閘運(yùn)動特性Fig.1 Motion characteristics of permanent magnetic actuator’s closing

圖2 永磁機(jī)構(gòu)分閘運(yùn)動特性Fig.2 Motion characteristics of permanent magnetic actuator’s opening

2 操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)整體方案

期望在理想相位進(jìn)行準(zhǔn)確操動，需要解決兩個問題：一是系統(tǒng)的電壓、電流波形相位的準(zhǔn)確判斷，這可以通過采樣、濾波、信號調(diào)理電路和過零點(diǎn)檢測算法并結(jié)合操動機(jī)構(gòu)行程總時間實(shí)現(xiàn)；二是確保操動機(jī)構(gòu)動作的低分散性.操動機(jī)構(gòu)動作精度受環(huán)境溫度、機(jī)構(gòu)磨損程度、線圈阻值和機(jī)構(gòu)偏心度等因素影響，這一過程計算繁瑣且無法準(zhǔn)確計算，但其造成的影響必然在機(jī)構(gòu)行程和勵磁電流參數(shù)上反映出來，因此系統(tǒng)設(shè)計中不直接考慮上述復(fù)雜的物理模型和補(bǔ)償算法，而是通過大量實(shí)驗(yàn)得出多種復(fù)雜環(huán)境下操動機(jī)構(gòu)行程的典型理想曲線(包括勵磁電流曲線和行程曲線)，將實(shí)際操動過程中機(jī)構(gòu)行程和勵磁電流參數(shù)分別與內(nèi)置控制系統(tǒng)的理想曲線實(shí)時比對，并通過計算及比例調(diào)用對勵磁線圈電壓、電流進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，精確控制機(jī)構(gòu)行程，實(shí)現(xiàn)行程調(diào)節(jié)降低操動機(jī)構(gòu)動作分散性的功能.通過高速采樣技術(shù)、并行處理技術(shù)、高速計算技術(shù)和脈沖驅(qū)動技術(shù)可解決上述兩點(diǎn)問題.依據(jù)以上控制原理分析，設(shè)計的真空開關(guān)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的整體原理圖如圖3所示，其主要包括系統(tǒng)電壓、電流波形的信號采集單元;進(jìn)行低分散性控制的驅(qū)動與調(diào)速單元;對上述兩部分信號并行采樣和高速計算的數(shù)據(jù)處理單元.下面將對驅(qū)動與調(diào)速單元進(jìn)行說明.

2.2 操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動與調(diào)速單元設(shè)計

操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動與調(diào)速單元主要由信號采集部分、邏輯控制部分、勵磁電流驅(qū)動部分及操動電源部分構(gòu)成.信號采集部分負(fù)責(zé)實(shí)時采集操動機(jī)構(gòu)勵磁電流和觸頭位置信息；邏輯控制部分基于PWM技術(shù)建立閉環(huán)控制，通過對比操動機(jī)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)量和操動機(jī)構(gòu)理想位移曲線及理想勵磁電流曲線，同步調(diào)整相應(yīng)的控制信號；勵磁電流驅(qū)動部分負(fù)責(zé)完成永磁機(jī)構(gòu)的勵磁電流控制，如圖4所示.上述操動所需電源由電解電容提供.

接收到分、合閘操作指令時，主控芯片發(fā)出控制信號并通過光耦驅(qū)動芯片HCPL-316J對4個IGBT置相應(yīng)邏輯電平控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，控制電容器對勵磁線圈放電的時間、次序，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制勵磁線圈電流大小補(bǔ)償操動機(jī)構(gòu)位移偏差，修正各種環(huán)境因素變化引起的操動機(jī)構(gòu)動作時間分散問題，確保永磁機(jī)構(gòu)基本按照理想行程曲線運(yùn)動.IGBT Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷時，真空開關(guān)進(jìn)行合閘操作；控制Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4關(guān)斷時，真空開關(guān)分閘.需要注意的是不能使同一橋臂中上下兩個IGBT同時導(dǎo)通，以免造成電解電容短路.圖5為IGBT模塊控制電路圖.

圖3 操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of control system of actuator

圖4 IGBT驅(qū)動電路圖Fig.4 IGBT driving circuit diagram

圖5 IGBT模塊控制電路Fig.5 Control circuit of IGBT module

3 操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)性能測試

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)性能，將其與行程13 mm的永磁機(jī)構(gòu)配合安裝在10 kV真空開關(guān)上進(jìn)行測試.試驗(yàn)以電容充電電壓220 V，PWM頻率4 kHz，占空比50%時觸頭運(yùn)動軌跡作為參考，測試不同電容電壓、環(huán)境溫度和閑置時間等因素影響下操動機(jī)構(gòu)動作時間和動作分散性.

(1)設(shè)定電容初始電壓變化范圍200～240 V，每個測試電壓下進(jìn)行30次分、合閘測試.不同電容電壓下真空開關(guān)觸頭合閘時間統(tǒng)計特性如圖6(a)所示.采用低分散性控制系統(tǒng)時觸頭合閘時間分散性<0.1 ms，電容電壓變化對動作時間的影響很小，約為0.004 ms/V；合閘彈跳時間<0.5 ms，可減弱因合閘彈跳引起的觸頭燒蝕影響.

(2)根據(jù)IEC62271—302同步開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對樣機(jī)進(jìn)行閑置時間影響測試，測試結(jié)果見圖6(b).通過低分散性控制系統(tǒng)修正，操動機(jī)構(gòu)閑置168 h時合閘時間標(biāo)準(zhǔn)差<0.1 ms，開關(guān)合閘動作時間均值為45.57 ms，閑置時間帶來的影響明顯降低.

(3)環(huán)境溫度影響測試結(jié)果如圖6(c).外界環(huán)境溫度變化對操動機(jī)構(gòu)動作時間的影響通過行程自適應(yīng)單元補(bǔ)償?shù)玫接行д{(diào)整，開關(guān)合閘時間受環(huán)境溫度影響變化<0.1 ms.

圖6 平均合閘時間統(tǒng)計特性Fig.6 Statistical characteristics of closing time under different temperature, capacitor voltage, and idle time.

文獻(xiàn)[7]采用改進(jìn)型滯環(huán)控制方法優(yōu)化真空觸頭運(yùn)動特性，其試驗(yàn)結(jié)果表明，不同電容電壓下觸頭動態(tài)合閘誤差絕對值≤0.3 ms；文獻(xiàn)[8]利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)控真空觸頭動作，控制合閘誤差在±0.3 ms內(nèi).對比試驗(yàn)結(jié)果可知，筆者設(shè)計的低分散性控制系統(tǒng)可控制真空開關(guān)合閘時間分散性<0.1 ms，具有一定的優(yōu)勢.

筆者針對低分散性真空開關(guān)永磁操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容性試驗(yàn)和分合閘速度及時間、動作分散性參數(shù)測試.試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，按受試設(shè)備運(yùn)行條件和功能規(guī)范分類，EMC實(shí)驗(yàn)均符合a類標(biāo)準(zhǔn)；分閘、合閘速度分別為(1.7±0.2) m/s、(0.7±0.2) m/s，操動機(jī)構(gòu)的分合閘精度在±500 μs.

4 結(jié)論

(1)研制了一種低分散性真空開關(guān)永磁操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，通過對真空開關(guān)操動機(jī)構(gòu)勵磁電流、機(jī)構(gòu)行程實(shí)時監(jiān)測，并驅(qū)動IGBT有序控制操動機(jī)構(gòu)電容放電，能有效消除電源電壓、閑置時間、外界溫度和機(jī)構(gòu)磨損等因素變化對操動分散性的影響，實(shí)現(xiàn)修正其動作分散性，增加系統(tǒng)電壓、電流相位檢測單元后可實(shí)現(xiàn)選相控制.

(2)測試試驗(yàn)證明，儲能電容范圍200～240 V時操動機(jī)構(gòu)合閘彈跳時間<0.5 ms；操動機(jī)構(gòu)閑置168 h時合閘時間標(biāo)準(zhǔn)差<0.1 ms；溫度在零下10～55 ℃變化時開關(guān)動作受溫度影響變化<0.1 ms.控制系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，EMC實(shí)驗(yàn)均符合a類標(biāo)準(zhǔn)；分閘、合閘速度分別為(1.7±0.2) m/s、(0.7±0.2) m/s，操動機(jī)構(gòu)的分合閘精度在±500 μs.

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Design of the Low-dispersion Control System for the Permanent Magnetic Actuator of Vacuum Switch

CHENG Xian1,2, CHEN Zhanqing1, HE Zhou2, YUAN Duanlei2, ZHONG Jianying2

(1.School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Ping Gao Group Co., Ltd., Pingdingshan 467000, China)

To decrease the transient influence caused by the switching operation of vacuum switches, the resultant force on vacuum switch in the operating period and the influence factors on operating accuracy were analyzed in this paper. Dynamic characteristics of permanent magnetic actuator in the operating processes were calculated. A self-adaptive control system for actuator, which could real-time control the excitation current and travel agency of actuator, was designed. The control system could modify action dispersion of the actuator effectively by driving IGBT to control the discharging orders of capacitors. It could also realize accurate operating at setting voltage and current phases by adding phase detection unit. Test results of the control system showed that the control system could reduce the action dispersion of vacuum switch actuator significantly, and the action dispersion was controlled within ±500 μs.

vacuum switch; self-adaptive control; permanent magnetic actuator; mechanism travel; excitation current; action dispersion

2016-06-22；

2016-10-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407163;51477024),中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552012; 2015T80778)

程顯(1982—)，男，河南鄭州人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要從事高壓智能電器和高電壓新技術(shù)研究，E-mail: chengxian@zzu.edu.cn.

1671-6833(2017)03-0058-05

TM501；TM561

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.03.033