高壓斷路器永磁電機機構及控制系統設計

劉愛民，畢玉潔，吳志恒，楊艷輝

（1.沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工業大學遼寧省電網安全運行與監測重點實驗室，遼寧沈陽 110870）

高壓斷路器永磁電機機構及控制系統設計

劉愛民1，2，畢玉潔1，2，吳志恒1，2，楊艷輝1，2

（1.沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工業大學遼寧省電網安全運行與監測重點實驗室，遼寧沈陽 110870）

為實現126 kV高壓真空斷路器的智能化操作，滿足斷路器分合閘速度要求，提出一種新型的斷路器分合閘電機操動機構及控制系統。結合126 kV高壓真空斷路器的負載特性，在分析表貼式、燕尾槽表貼埋入型、直線內嵌型和外V內嵌型4種電機轉子后，提出了一種多槽雙層表貼埋入式定子及轉子永磁電機設計方案，并設計了以數字信號處理器為核心的硬件控制裝置。開展126 kV高壓真空斷路器的聯機實驗，結果表明，采用上述操動機構及控制系統能夠滿足126 kV高壓真空斷路器分合閘速度指標的要求，且分合閘時間具有良好的穩定性。

真空斷路器;電機操動機構;數字信號處理器;分合閘速度;穩定性

0 引言

高壓斷路器在電網系統中起到切斷故障線路保護電網穩定運行的作用，有效的實現斷路器的分合閘以及自動重合閘操作對電網的安全以及排除故障線路都具有十分重大的意義［1－2］。

斷路器能否按照預設的要求完成分合閘操作且具有穩定性，其操動機構性能起決定性作用。傳統的真空斷路器操動機構主要有電磁操動機構、彈簧操動機構和永磁操動機構等，這些傳動機構均存在機械零部件多，機構復雜，難以實現對斷路器分合閘的過程控制等缺點，難以滿足國家電網對電網電器智能化操作的要求［2－6］。

近年來，隨著新型操動機構的相繼問世，尤其是電機操動機構，采用電子操動系統控制功率器件實現斷路器的分、合操作，運動部件少，動作分散性小，這為高壓斷路器觸頭運動控制提供了可能［7－11］。本文針對126 kV真空斷路器的負載特性，在分析了表貼式、燕尾槽表貼埋入型、直線內嵌型和外V內嵌型4種電機轉子輸出性能后，提出了一種多槽雙層表貼埋入式定子及轉子永磁電機設計方案。并結合所提出的電機操動機構搭建了以數字信號處理器為核心的控制系統平臺。開展126 kV真空斷路器分合閘聯機實驗，通過實驗數據分析，驗證所提出的新型電機機構能夠有效滿足高壓真空斷路器對分合閘速度的要求指標及分合閘時間穩定性。

1.1 26kV真空斷路器電機機構運動特性分析

電機機構在運動過程中的各部件質量全部歸算到f處的等效質量為Mf，通過能量守恒原理，可求得機構操作力與觸頭速度特性的動態關系為

式中:Fi為結構操作力;Fj為真空斷路器反力;Ml為各軸銷處的摩擦力矩。

由于軸銷處的摩擦力矩相對操作力與斷路器反力較小，且為動觸桿行程的函數復雜，因此，工程上通常不計算各軸銷處的摩擦損耗，而是用連桿機構的效率來表示該損耗對整個運動系統的影響，所以式（4）可改寫為

式中:η為運動系統的機械效率。

依據上述合閘不同階段等效力的計算方法，得到驅動電機主軸的負載力矩曲線如圖1所示。在0°～36.52°范圍內為斷路器的開距階段，電機負載轉矩比較小;當電機轉角達到36.52°時，由于觸頭彈簧初始壓力的存在，電機負載轉矩突增至最大值930 N·m，之后隨著轉角的增加，負載轉矩逐漸減小。同理分閘過程計算反力矩如圖1（b）所示。在高壓斷路器電機操動機構的控制系統中，需控制驅動電機按圖1的規律出力，實現真空斷路器負載反力特性與機構出力特性的合理配合。

圖1 電機機構側力矩與觸頭行程關系Fig.1Relationship of motor mechanism side torque and contact trip

2 驅動電機的設計

2.1 轉子勵磁結構的選擇

為了滿足電機機構與真空斷路器運動特性的合理配合，分別對表貼埋入型轉子結構、燕尾槽表貼埋入型轉子結構、直線內嵌型轉子結構和外V內嵌型轉子結構4種轉子勵磁結構進行仿真分析。4種驅動電機的轉子結構如圖2所示。

圖2 改進型驅動電機轉子結構Fig.2Structure of modified drive motor rotor

圖3 斷路器分合閘操作時驅動電機的動態特性Fig.3Drive motor dynamic characteristic of circuit breaker opening and closing operation

圖3顯示的是在合閘、分閘過程中4種轉子的啟動電流、電磁轉矩、電機角位移曲線圖。其中1是普通表貼埋入型，2是燕尾槽表貼埋入型，3是直線內嵌型，4是外V內嵌型。

2.2 定子結構的設計

為減小電機體積，增大輸出轉矩，選擇定子的繞線方式是多槽雙層繞組電機定子結構。多槽雙層繞組電機定子結構圖如圖4所示。針對電機定子的繞組的多槽單層結構與多槽雙層結構的性能進行了仿真計算。

圖4 定子結構及仿真曲線Fig.4Stator structures and the simulation curve

仿真條件:初始電壓為150 V，驅動電流100 A，旋轉角度64°～80°。其合閘過程中角位移特性曲線如圖4（b）所示。分析可知:多槽雙層的定子繞組在分合閘時間、電機的響應時間均呈現明顯的優勢。通過上述對電機定轉子分析，本設計電機的定子繞組選擇的是多槽雙層繞組，轉子選擇的是普通表貼埋入型轉子結構。

3 基于DSP28335硬件控制平臺的搭建及聯機實驗

電機操動機構系統及控制系統如圖5所示。DSP和IGBT驅動模塊開斷相應的通路，釋放存儲在電容器組內的電量驅動電機的旋轉，實現斷路器的分合閘操作;通過改變控制器發出的PWM波信號參數控制驅動電機的電流和速度，實現對操動機構動觸頭控制，進而實現斷路器分合閘運動過程的全程控制的要求。

圖5 電機操動機構及控制系統Fig.5Motor operating mechanism and control system

根據126 kV真空斷路器主要機械特性參數如表1所示，為了驗證本電機及其控制系統的有效性，開展126 kV高壓真空斷路器與電機操動機構及其控制裝置聯機實驗。圖6為126 kV高壓真空斷路器及電機機構操作平臺。

圖6 126kV斷路器及電機機構Fig.6126 kV circuit breaker and its motor mechanism

表1 126kV真空斷路器主要機械特性參數Table 1Parameters of mechanical characteristics of 126 kV vacuum circuit breaker

4 實驗數據分析

在實驗過程中，通過示波器分別采集了電機的三相電流、角位移信號以及剛分跳變信號，其中剛合跳變信號是為計算剛合時間。實測波形如圖7所示。

圖7 分閘實驗數據曲線Fig.7Experiment data curve of opening

根據圖7的分析可知，在外加電壓為350 V時，斷路器在30 ms左右時間內完成了分閘動作。經過計算，平均分閘速度達到3.45 m/s，滿足126 kV高壓真空斷路器分閘速度2.2±0.2 m/s的要求。

圖8 合閘實驗數據曲線Fig.8Experiment data curve of closing

圖8為斷路器合閘過程中電機的三相電流、角位移信號以及剛合跳變信號圖。根據圖分析可知，在外加電壓是350 V，斷路器合閘時間是40 ms，平均合閘速度為2.42 m/s，滿足了126 kV高壓真空斷路器合閘速度1.3±0.2 m/s速度要求。

為驗證該電機機構配合設計的控制裝置工作的穩定性，在實現斷路器分合閘的基礎上，驗證該機構在較大機械碰撞下能完成保持分合閘時間浮動在允許范圍內（小于2 ms）。該組實驗選擇的條件是:外加電壓是260 V，PWM占空比恒為95%。其中實驗數據如圖9所示。

圖9 多組分合閘實驗數據Fig.9Multidrug experimental data of closing and opening

通過圖9分析可知，3次分閘時間分別為24.08 ms、24.16 ms、25.25 ms，分閘時間浮動最大為1.17 ms，3次合閘時間分別為39.96 ms、40.09 ms、40.25 ms，合閘時間浮動最大是0.29 ms，均遠小于2 ms。證實了該機構配合控制裝置工作時，分合閘時間呈現出良好的穩定性。

5 結論

本文研究了126 kV高壓真空斷路器電機操動機構，根據操動機構運動特性分析，設計了操動電機及控制裝置，并通過仿真與大量實驗分析得出以下結論:

1）所設計定子繞組選擇多槽雙層繞組，轉子選擇普通表貼埋入型轉子結構的操動電機具有良好的輸出特性。

2）聯機實驗表明，在外加電壓350 V時，分閘速度達到3.45 m/s，合閘速度達到2.42 m/s，滿足126 kV真空斷路器速度要求指標。

3）分合閘時間穩定性實驗證實，合閘時間浮動最大值是0.29 ms，分閘時間浮動的最大值是1.17 ms，均小于2 ms。具有良好的分合閘時間穩定性。

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（編輯:劉琳琳）

Design on high voltage vacuum circuit breaker motor operating mechanism and control system

LIU Ai-min1，2，BI Yu-jie1，2，WU Zhi-heng1，2，YANG Yan-hui1，2
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2.Liaoning Province Key Laboratory of Power Grid Safe Operation and Monitoring，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to achieve the intelligent operation of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker，and meet the requirement of circuit breaker opening and closing speed，a new kind of circuit breaker opening and closing motor operating mechanism and control system was proposed.Combined with the load characteristic of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker，and based on the analysis of surface－mount，dovetail groove table type，linear embedded type and type V inline four kinds of motor rotor，the design project of multi double table stick embedded type stator and the rotor permanent magnet motor were proposed，and then the control device with digital signal processor as the core was designed.Online experiment of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker was conducted.Results show that adopting the above operation mechanism and control system satisfies the opening and closing speed demands indicator of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker and the closing time has a good stability.

vacuum circuit breaker;the motor operating mechanism;digital signal processor;opening and closing speed;stability

10.15938/j.emc.2015.01.007

TM 346

A

1007－449X（2015）01－0045－06

2014－06－04

國家自然科學基金資助（51377107）

劉愛民（1961—），女，博士，副教授，研究方向為直線電機、智能化電器;

畢玉潔（1983—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統及其自動化;

吳志恒（1987—），男，碩士研究生，研究方向為高壓電器操動機構;

楊艷輝（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子及其傳動技術。

吳志恒