應(yīng)用于快速接地開關(guān)的電機(jī)操動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

庚振新， 李少華， 李得祥， 韓東鵬， 黃曉明

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 平高集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心， 河南 平頂山 467001； 3. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 杭州 310014)

快速接地開關(guān)(FES)是一種用于控制和保護(hù)電路的開關(guān)設(shè)備，通常放置于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(GIS)中，密封在氣體筒體內(nèi)[1].操動機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘操作，但是傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件較多，這對操動機(jī)構(gòu)的可控制性和可靠運(yùn)行產(chǎn)生了影響.為了提高操動機(jī)構(gòu)控制的靈活性和簡便性，選用電機(jī)操動機(jī)構(gòu)作為快速接地開關(guān)的操動機(jī)構(gòu)可以有效解決上述問題[2-3].

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)使用電機(jī)驅(qū)動觸頭做直線運(yùn)動，可以根據(jù)快速接地開關(guān)的實(shí)際情況事先設(shè)定運(yùn)動曲線，并采用電流傳感器和位置傳感器等檢測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).該操動機(jī)構(gòu)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、控制性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可以提高快速接地開關(guān)操作的可靠性[4-5].

在快速接地開關(guān)進(jìn)行分合閘過程中，電機(jī)在換相時會出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象，并且在分合閘操作完成后，由于動觸頭的運(yùn)動速度較快，動觸頭與靜觸頭接觸時會產(chǎn)生機(jī)械碰撞，較大的機(jī)械碰撞力會使機(jī)械部件間發(fā)生較大的振動.為了改善快速接地開關(guān)分合閘操作中觸頭的震蕩現(xiàn)象和電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種新型的由無刷直流電機(jī)驅(qū)動的操動機(jī)構(gòu)，并給出應(yīng)用于快速接地開關(guān)的電機(jī)操動機(jī)構(gòu)原理，利用SVPWM矢量控制方法驅(qū)動電機(jī)工作，完成無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件程序設(shè)計(jì)，開關(guān)分合閘試驗(yàn)結(jié)果表明了新型電機(jī)操動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于快速接地開關(guān)設(shè)計(jì)的合理性.

1 FES電機(jī)操動機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)

1.1 電機(jī)操動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)由傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)組成，傳動機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)包括拐臂、傳動連桿和輸出軸等，基本結(jié)構(gòu)[6-7]如圖1所示.驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接至傳動連桿，傳動連桿的兩端分別連接至拐臂和輸出軸，其工作原理是：控制系統(tǒng)控制電機(jī)繞組電流驅(qū)動電機(jī)工作，在電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)各個部件作用下，快速接地開關(guān)的輸出軸旋轉(zhuǎn)完成分合閘動作[8].在快速接地開關(guān)的分合閘過程中，操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件是電動機(jī)主軸、拐臂和傳動連桿，這與傳統(tǒng)的彈簧、永磁等操動機(jī)構(gòu)相比，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，活動部件少，提高了操動機(jī)構(gòu)的可靠性[9-10].

圖1 FES電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of motor operating mechanism of FES

所討論研究的快速接地開關(guān)的觸頭行程為(130±3) mm，開距為(80±3) mm，超程為(28±4) mm，將電機(jī)轉(zhuǎn)動角度與快速接地開關(guān)的行程形成線性對應(yīng)關(guān)系，能夠得到任意時刻驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移和輸出軸的線性位移.在快速接地開關(guān)電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，電機(jī)和機(jī)械輸出軸連接使快速接地開關(guān)的運(yùn)動能量全部來自電機(jī)，在快速接地開關(guān)的分合閘過程中，快速接地開關(guān)中的驅(qū)動電機(jī)通過拐臂連接本體軸，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度是180°，本體轉(zhuǎn)動軸是60°，分閘和合閘平均速度為2.0～3.0 m/s.

電機(jī)的工作過程分為加速、勻速和減速階段，考慮到研究對象的實(shí)際情況，即電機(jī)控制器發(fā)出分合閘指令后，電機(jī)的啟動時間很短，并且電機(jī)的大部分工作狀態(tài)都是勻速，所以所檢測的分合閘平均速度為快速接地開關(guān)勻速過程中的速度.快速接地開關(guān)的合閘操作行程曲線如圖2所示.

圖2 快速接地開關(guān)的合閘操作行程曲線Fig.2 Closing operation curve of FES

1.2 無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

無刷直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有電機(jī)及其換相器，與三相異步電動機(jī)類似，定子繞組為三相星形結(jié)構(gòu)，永磁體可以檢測到轉(zhuǎn)子極性.電機(jī)換向器由電力電子設(shè)備和信號處理電路組成，其主要功能是：接收電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)信號并控制電機(jī)的運(yùn)動方向，改變逆變電路功率開關(guān)管的通斷，產(chǎn)生PWM信號改變電機(jī)定子的電流導(dǎo)通相序，最終實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[11].

無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子尺寸小、慣性低、轉(zhuǎn)矩慣量比高，且永磁材料在無刷直流電機(jī)上的應(yīng)用，使無刷直流電機(jī)不存在定子勵磁電流分量，所以不需要考慮轉(zhuǎn)子損耗.在功率容量相同的情況下，無刷直流電機(jī)對所需的功率變換器件的要求更低.

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)包括中央處理單元、整流單元、電流檢測電路、角位移檢測電路、逆變單元、隔離驅(qū)動單元和電壓檢測單元.電機(jī)操動機(jī)構(gòu)控制裝置原理圖如圖3所示.

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的原理是：整流單元將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，儲能電容器充電至快速接地開關(guān)打開和閉合所需電壓.在發(fā)出合閘操作命令后，中央處理器控制逆變器單元中開關(guān)的通斷，改變驅(qū)動電機(jī)的導(dǎo)通順序.在電機(jī)轉(zhuǎn)動中，電流互感器采集逆變單元輸出的電流信號，而角位移檢測電路檢測驅(qū)動電動機(jī)的角位移信號，然后傳至中心處理單元，通過控制信號來改變電機(jī)電流導(dǎo)通順序和運(yùn)動速度.隔離驅(qū)動單元可以快速關(guān)斷功率開關(guān)管，從而可以防止驅(qū)動組件在出現(xiàn)故障時被燒毀[12].

圖3 電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的控制裝置原理圖Fig.3 Principle diagram of control device of motor operating mechanism

選擇數(shù)字信號處理器DSP28335作為主控制芯片，處理來自信號采集單元的信號.驅(qū)動電機(jī)需要整流單元和逆變單元提供電源，無刷直流電機(jī)的每相均具有兩相繞組導(dǎo)通，中心處理單元輸出PWM信號，經(jīng)隔離驅(qū)動單元控制功率開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)換相.

信號采集電路包括角位移測量電路和繞組電流檢測電路，其中角位移測量電路采用光電編碼器輸出X、Y、Z信號，中央處理單元根據(jù)檢測到的X、Y信號相位判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，并根據(jù)Z相脈沖調(diào)整編碼器的初始狀態(tài)；繞組電流檢測電路采用電流傳感器檢測驅(qū)動電機(jī)的三相繞組電流，將逆變單元傳至驅(qū)動電機(jī)的電流按照一定比例輸出到中心處理單元，作為電機(jī)換相的邏輯判據(jù).

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的軟件程序包括系統(tǒng)主程序、電容充電程序、信號采集程序、坐標(biāo)變換程序、PI運(yùn)算程序和矢量控制程序.系統(tǒng)主程序控制中央處理單元的各個程序，當(dāng)中央處理器接收到開關(guān)的分合閘信號時，程序進(jìn)入外部中斷，然后根據(jù)電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的要求執(zhí)行相應(yīng)的子程序.

逆變單元控制功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)；電容充電程序按照設(shè)定的電壓值對電容進(jìn)行充電；PI運(yùn)算程序進(jìn)行速度環(huán)、位移環(huán)和電流環(huán)的運(yùn)算；信號采集程序檢測電機(jī)繞組電流信號和轉(zhuǎn)子角位移信號，光電編碼器將檢測得到的電壓脈沖信號發(fā)送至中央處理單元，定位電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；坐標(biāo)變換程序?yàn)镃lark變換和Park變換，程序?qū)﹄姍C(jī)定子電流信號進(jìn)行坐標(biāo)變換.矢量控制程序根據(jù)坐標(biāo)變換程序輸出的兩個電壓矢量，運(yùn)用SVPWM矢量控制策略輸出PWM波形，控制電機(jī)工作[13-14].

控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示.系統(tǒng)先運(yùn)行初始化程序，對儲能電容充電，當(dāng)接到分合閘指令后運(yùn)行信號采集程序；反之，則繼續(xù)等待.之后，運(yùn)行坐標(biāo)變換程序、PI運(yùn)算程序和矢量控制程序?qū)Σ杉男盘栠M(jìn)行調(diào)理變換，在開關(guān)完成分合閘操作后，系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)行.

圖4 控制系統(tǒng)的流程圖Fig.4 Flow chart of control system

2 矢量控制系統(tǒng)的仿真分析

根據(jù)快速接地開關(guān)的實(shí)際要求，搭建電機(jī)操動機(jī)構(gòu)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型.驅(qū)動電機(jī)的工作轉(zhuǎn)動角為180°，即仿真模型中位移環(huán)的給定值為3.14 rad.在電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作過程中，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動3.14 rad時，快速接地開關(guān)動觸頭的行程為130 mm.驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示.

通過電機(jī)轉(zhuǎn)動速度的變化可以直接表征電機(jī)運(yùn)動過程的轉(zhuǎn)矩變化，而且快速接地開關(guān)動觸頭運(yùn)動能量直接由驅(qū)動電機(jī)提供.電機(jī)給定速度為146和220 rad/s時的速度曲線如圖5、6所示.

表1 驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of drive motor

圖5 電機(jī)給定速度為146 rad/s時的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results with motor given speed of 146 rad/s

圖6 電機(jī)給定速度為220 rad/s時的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results with motor given speed of 220 rad/s

圖5中電機(jī)速度已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的146 rad/s，折算到快速接地開關(guān)動觸頭的運(yùn)動速度為2.0 m/s；圖6中電機(jī)速度在勻速階段達(dá)到設(shè)定的220 rad/s，折算到快速接地開關(guān)動觸頭的運(yùn)動速度為3.0 m/s.由仿真結(jié)果可知，采用矢量控制策略的電機(jī)操動機(jī)構(gòu)可以使快速接地開關(guān)動觸頭的速度保持在2.0～3.0 m/s之間，能夠滿足快速接地開關(guān)的分合閘要求.

3 電機(jī)操動機(jī)構(gòu)特性試驗(yàn)

以快速接地開關(guān)電機(jī)操動機(jī)構(gòu)為討論對象，搭建應(yīng)用于快速接地開關(guān)的電機(jī)操動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺，開展分合閘特性試驗(yàn).電機(jī)操動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺的現(xiàn)場測試圖如圖7所示.快速接地開關(guān)進(jìn)行分合閘操作的能量由驅(qū)動電機(jī)提供，驅(qū)動電機(jī)在帶動傳動機(jī)構(gòu)和動觸頭運(yùn)動的過程中受到機(jī)械沖擊，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象可能比較嚴(yán)重，而通過矢量控制策略可以改善這種現(xiàn)象.通過角位移傳感器和電流互感器測量得到快速接地開關(guān)合閘的轉(zhuǎn)速和分閘繞組電流變化曲線如圖8、9所示.

圖7 電機(jī)操動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺的現(xiàn)場測試圖Fig.7 Field test photo of experimental platform of motor operating mechanism

圖8 快速接地開關(guān)合閘特性的電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Motor speed curve of closing characteristics of FES

圖9 快速接地開關(guān)分閘特性的電機(jī)繞組電流曲線Fig.9 Motor winding current curve of opening characteristics of FES

通過圖8、9試驗(yàn)結(jié)果可知，電機(jī)運(yùn)動過程較為平緩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象得以改善；快速接地開關(guān)合閘時電機(jī)最大繞組電流為3.95 A，分閘時為4.51 A，電機(jī)工作時電機(jī)繞組發(fā)熱現(xiàn)象不嚴(yán)重，可以確保開關(guān)正常工作.

4 結(jié) 論

本文以應(yīng)用于快速接地開關(guān)的電機(jī)操動機(jī)構(gòu)為討論對象，分析了電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的工作原理和運(yùn)動過程.設(shè)計(jì)研究電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)硬件電路和軟件程序，采用SVPWM矢量控制策略，開展快速接地開關(guān)分合閘特性試驗(yàn)，使用機(jī)械特性儀獲取機(jī)械特性曲線及其性能指標(biāo).采用矢量控制策略控制電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程，快速接地開關(guān)分合閘速度均滿足要求，且勻速階段速度變化平緩，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象大幅降低，過程震蕩現(xiàn)象得到有效改善.