高壓隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

張燦

摘 要：為了智能操作高壓隔離開關(guān)，操作期間應(yīng)有效控制開關(guān)觸頭的速度，在原有高壓斷路器操作控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高壓隔離開關(guān)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)PID控制措施，調(diào)節(jié)電機(jī)的繞組電流與轉(zhuǎn)速，確保觸頭可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到特定速度，從而達(dá)到分閘的速度要求，保障高壓隔離開關(guān)在操作期間可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度，穩(wěn)定有效的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：高壓隔離開關(guān)；電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.002

對(duì)高壓隔離開關(guān)而言，要求操動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)快、具有較高的輸出扭矩?，F(xiàn)有的電機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)大多需要一整套機(jī)械減速元件，多個(gè)部件，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低，運(yùn)動(dòng)過程不可控。因此，有必要設(shè)計(jì)一種輸出轉(zhuǎn)矩大、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)動(dòng)末端沖擊小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)。提出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，分析了真空斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，確定了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

1 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

在高壓開關(guān)設(shè)備中，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度較快，便于操控，因此得到了廣泛使用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及高校均對(duì)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，比如2002年，ABB公司在大電網(wǎng)會(huì)議報(bào)告中便明確指出電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與以往的彈簧機(jī)構(gòu)及液壓彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)存在較大區(qū)別，電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，且具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性。而在儲(chǔ)能方面，相較彈簧機(jī)構(gòu)的壓縮彈簧及氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓縮氣體，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能方式較為簡(jiǎn)單，且操作方便。且在運(yùn)行原理方面，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要通過通電線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，利用線圈內(nèi)電流的改變產(chǎn)生動(dòng)力，以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行，且更易操控。以上特點(diǎn)均決定了在高壓開關(guān)設(shè)備中，電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用必將成為未來的主流發(fā)展趨勢(shì)。

在國(guó)內(nèi)，相關(guān)高校也在隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，積累了一定經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并發(fā)明了永磁同步直線電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)等結(jié)構(gòu)。2012年，清華大學(xué)黃瑜瓏教授針對(duì)單相斷路器進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)了新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)與以往技術(shù)不同，需要正反向轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)及拐臂，通過轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸帶動(dòng)高壓器進(jìn)行分合閘運(yùn)動(dòng)，有效解決了以往技術(shù)中高壓斷路器使用壽命短且工作可靠性差等問題。近年來，在斷路器中開始廣泛使用電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，但在隔離開關(guān)配電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)方面的相關(guān)研究卻并不成熟，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電器控制元件以及兩級(jí)渦輪減速器均屬于隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要組成部分，其中第一級(jí)與第二級(jí)的渦輪減速器為高壓隔離開關(guān)電機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，由輸出軸傳遞至隔離開關(guān)，但當(dāng)前并未實(shí)現(xiàn)直接由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)分合閘動(dòng)作。

1.2 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

高壓隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)作速度較快，且運(yùn)行期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)一直處于啟動(dòng)模式。清華大學(xué)黃瑜瓏教授針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，并得出了仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。而山東大學(xué)李慶民教授建立了永磁同步電機(jī)操動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析了拐臂的初始位置角，并指出了相應(yīng)的取值范圍。主要通過最優(yōu)二次型學(xué)習(xí)算法的單神經(jīng)元PID速度控制器對(duì)分閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，但研究過程并未給出對(duì)比曲線，也未綜合考慮整個(gè)電網(wǎng)，因此研究尚處于理論研究階段。

上述電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)的相關(guān)研究依然處于仿真分析階段，實(shí)驗(yàn)實(shí)用性較差。在實(shí)際應(yīng)用過程中，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行條件，且還應(yīng)加深對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)動(dòng)觸頭運(yùn)行的研究，并在隔離開關(guān)的關(guān)合操作中驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性。

2 無刷直流電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)可控性

分析數(shù)學(xué)模型可知，開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)在兩相繞組兩端增加可變電壓，進(jìn)而可以實(shí)時(shí)控制電機(jī)速度，文章中主要利用脈寬調(diào)制技術(shù)獲得可變電壓。無刷直流電機(jī)可以為隔離開關(guān)提供驅(qū)動(dòng)力，通過改變脈寬調(diào)制占空比調(diào)整觸頭運(yùn)行速度，且占空比例越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，反之，則比例越小，則轉(zhuǎn)速越小。由此可知，改變脈寬調(diào)制的占空比可以有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保觸頭在行程內(nèi)達(dá)到既定的速度要求[1]。

3 隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及調(diào)速系統(tǒng)

3.1 無刷直流電機(jī)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)

本文主要將550kV配電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)隔離開關(guān)作為研究對(duì)象，其實(shí)物圖如圖1所示。

隔離開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是帶有限位器的無刷直流電機(jī)，它主要通過開關(guān)觸頭進(jìn)行分合操作，改善了以往的液壓、氣動(dòng)以及彈簧技術(shù)，具備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且連桿多等特點(diǎn)。

3.2 隔離開關(guān)電機(jī)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的核心控制模塊為數(shù)字信號(hào)處理器，且系統(tǒng)還包括檢測(cè)電路、繞組線圈電流檢測(cè)電路、電容充放電控制電路等模塊系統(tǒng)。

一是設(shè)計(jì)分合閘隔離驅(qū)動(dòng)控制電路，利用功率開關(guān)器件控制三相繞組電流，并設(shè)定開關(guān)軌跡，從而有效控制瞬態(tài)過壓，降低開關(guān)器件的能耗，確保元器件的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在關(guān)閉功率開關(guān)器件后，電容通過二極管充電，并有效吸收關(guān)閉期間產(chǎn)生的du/dt；而在開通功率開關(guān)器件后，則通過電阻R放電。但期間必須選用額定電流大于主電路期間額定電流十分之一的快速恢復(fù)二極管，且盡量減小線路電感，選擇高頻且性能較佳的吸收電容。

二是設(shè)計(jì)電機(jī)位置的檢測(cè)電路，位置檢測(cè)電路可以測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置，通過正確的換相信息有效控制定子繞組換相。在本控制系統(tǒng)中，電機(jī)位置的檢測(cè)傳感器為三個(gè)固定在霍爾盤上的霍爾元件，利用圓形磁鋼模擬電機(jī)磁場(chǎng)。電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鋼也會(huì)隨之旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而霍爾元件的輸出電平也會(huì)發(fā)生變化，從而通過輸出信號(hào)明確電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

三是設(shè)計(jì)速度檢測(cè)電路，將光電耦合開關(guān)與遮光盤組成光電旋轉(zhuǎn)

（下轉(zhuǎn)第3頁）

（上接第4頁）

編碼器，利用其檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度。其中，每個(gè)光電耦合開關(guān)由紅外發(fā)光二極管以及光敏三極管組成，且呈圓周式的均勻分布。[2]遮光盤上開有一定的窗口，且其位于發(fā)光二極管以及光敏三極管之間。運(yùn)行期間，紅外發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出紅外光，且遮光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光敏三極管會(huì)不斷的導(dǎo)通截止紅外光，通過測(cè)量輸出信號(hào)則可知轉(zhuǎn)子速度。endprint

四是設(shè)計(jì)繞組線圈電流檢測(cè)電路，以往檢測(cè)電路利用分壓電阻方式，電阻隨著溫度的變化會(huì)出現(xiàn)一定誤差，無法確保測(cè)量的精確度。且外部電路與控制電路之間缺少電氣隔離，很容易對(duì)控制電路出現(xiàn)高強(qiáng)度沖擊，進(jìn)而影響了控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。對(duì)此，檢測(cè)電路電流時(shí)可以采用電氣隔離的霍爾電流傳感器，其正常運(yùn)行期間，電機(jī)繞組為交變電流，但由于A/D模塊輸入電壓為0至3.3伏，因此，應(yīng)通過加法器控制傳感器輸出信號(hào)，并經(jīng)過比例運(yùn)算后確保線圈電流信號(hào)的安全性。

五是設(shè)計(jì)電容充放電控制電路，無刷直流電機(jī)摒棄了以往利用彈簧儲(chǔ)能方式，采用儲(chǔ)能電容，且設(shè)置了電容的充放電控制回路。且數(shù)字信號(hào)處理器采集電容信號(hào)，達(dá)到操作要求后，其發(fā)出信號(hào)，以停止充電。

4 控制策略

文章設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)控制模式，外環(huán)為速度環(huán)，而內(nèi)環(huán)則為電流環(huán)，且均采用PID控制算法。在隔離開關(guān)觸頭運(yùn)功時(shí)，電機(jī)實(shí)際信號(hào)測(cè)量值與參照值之間存在誤差，之后在進(jìn)入PID控制器，在外環(huán)速度調(diào)節(jié)后，將輸出信號(hào)導(dǎo)入PID控制器中，通過調(diào)整脈寬調(diào)制占空比控制電機(jī)速度[3]。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了確保此控制系統(tǒng)的有效性，本文通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了調(diào)速測(cè)試，且DS開關(guān)觸頭開距為（172±2）毫米，超行程為（58±2）毫米，電機(jī)轉(zhuǎn)角度為80度，且環(huán)境溫度為25攝氏度，電容電壓為35伏，電容容量為19800微法。測(cè)試所得隔離開關(guān)合閘操作時(shí)間為（220±5）ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為（80±2）度，且調(diào)速動(dòng)作與行程誤差保持在3度內(nèi)，觸頭速度的提升效果十分明顯。

而在隔離開關(guān)分閘行程方面，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為（80±2）度，分閘操作時(shí)間為（280±5）ms，開始時(shí)，電機(jī)以75%脈寬調(diào)制的占空比運(yùn)行，而轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子角度為15度時(shí)，電機(jī)以90%脈寬調(diào)制占空比運(yùn)行，且完成了合閘操作。同時(shí)，觸頭動(dòng)作與行程誤差保持在2度以內(nèi)，在控制調(diào)速后，觸頭速度得到了顯著提升。

6 結(jié)束語

本文改善了隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

（1）提出了隔離開關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制技術(shù)，并將其與高壓電器技術(shù)與電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，有效控制了隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)的操動(dòng)過程，且在調(diào)試驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)此方案具備可行性。

（2）利用調(diào)速控制系統(tǒng)可以使隔離開關(guān)觸頭在特定行程段達(dá)到既定的速度要求，滿足了技術(shù)需求。

（3）無刷直流電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了智能化操作，為隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了更為先進(jìn)的平臺(tái)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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