高壓隔離開關電機操動機構控制系統

張燦

摘 要：為了智能操作高壓隔離開關，操作期間應有效控制開關觸頭的速度，在原有高壓斷路器操作控制系統的基礎上設計高壓隔離開關無刷直流電機調速系統，利用雙閉環PID控制措施，調節電機的繞組電流與轉速，確保觸頭可以在規定時間內達到特定速度，從而達到分閘的速度要求，保障高壓隔離開關在操作期間可以實時調節速度，穩定有效的運行。

關鍵詞：高壓隔離開關；電機操動機構；控制系統

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

對高壓隔離開關而言，要求操動機構響應快、具有較高的輸出扭矩。現有的電機運行機構大多需要一整套機械減速元件，多個部件，傳動機構復雜，可靠性低，運動過程不可控。因此，有必要設計一種輸出轉矩大、傳動機構簡單可靠、運動末端沖擊小的驅動電機直接驅動隔離開關。提出了電機驅動機構的設計方法，分析了真空斷路器傳動機構的運動特性，確定了驅動機構驅動電機的設計要求。

1 電機操動機構及控制技術現狀

1.1 電機操動機構研究現狀

在高壓開關設備中，電機操動機構的結構較為簡單，響應速度較快，便于操控，因此得到了廣泛使用。當前國內外科研機構及高校均對電機操動機構進行了大量研究，比如2002年，ABB公司在大電網會議報告中便明確指出電動操動機構與以往的彈簧機構及液壓彈簧操動機構存在較大區別，電動操動機構的結構更為簡單，且具備較強的穩定性。而在儲能方面，相較彈簧機構的壓縮彈簧及氣動機構的壓縮氣體，電機操動機構的儲能方式較為簡單，且操作方便。且在運行原理方面，電機操動機構主要通過通電線圈產生驅動力，利用線圈內電流的改變產生動力，以驅動機構運行，且更易操控。以上特點均決定了在高壓開關設備中，電動操動機構的應用必將成為未來的主流發展趨勢。

在國內，相關高校也在隔離開關電機操動機構領域進行了深入研究，積累了一定經驗，設計并發明了永磁同步直線電機、永磁無刷直流電機等結構。2012年，清華大學黃瑜瓏教授針對單相斷路器進行了深入研究，并設計了新型的電機驅動操動機構，這種操動機構與以往技術不同，需要正反向轉動旋轉電機及拐臂，通過轉動曲軸帶動高壓器進行分合閘運動，有效解決了以往技術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操動機構，但在隔離開關配電機操動機構方面的相關研究卻并不成熟，驅動電機、電器控制元件以及兩級渦輪減速器均屬于隔離開關電機操動機構的主要組成部分，其中第一級與第二級的渦輪減速器為高壓隔離開關電機提供運轉動力，由輸出軸傳遞至隔離開關，但當前并未實現直接由驅動電機帶動觸頭實現分合閘動作。

1.2 電機操動機構控制技術研究現狀

高壓隔離開關電機操動機構的運行動作速度較快，且運行期間驅動電機一直處于啟動模式。清華大學黃瑜瓏教授針對永磁同步電動機操動機構提出了雙閉環矢量控制系統，并得出了仿真計算與試驗測量結果。而山東大學李慶民教授建立了永磁同步電機操動結構的動態數學模型，分析了拐臂的初始位置角，并指出了相應的取值范圍。主要通過最優二次型學習算法的單神經元PID速度控制器對分閘運動進行跟蹤，但研究過程并未給出對比曲線，也未綜合考慮整個電網，因此研究尚處于理論研究階段。

上述電機操動機構控制技術的相關研究依然處于仿真分析階段，實驗實用性較差。在實際應用過程中，電機操動機構應根據實際工作情況調整操動機構的運行條件，且還應加深對操動機構驅動隔離開關動觸頭運行的研究，并在隔離開關的關合操作中驗證控制系統的有效性。

2 無刷直流電機操動機構可控性

分析數學模型可知，開關觸頭運動過程中應在兩相繞組兩端增加可變電壓，進而可以實時控制電機速度，文章中主要利用脈寬調制技術獲得可變電壓。無刷直流電機可以為隔離開關提供驅動力，通過改變脈寬調制占空比調整觸頭運行速度，且占空比例越大，電機轉速越大，反之，則比例越小，則轉速越小。由此可知，改變脈寬調制的占空比可以有效控制電機轉速，確保觸頭在行程內達到既定的速度要求[1]。

3 隔離開關操動機構及調速系統

3.1 無刷直流電機的操動機構

本文主要將550kV配電機操動機構隔離開關作為研究對象，其實物圖如圖1所示。

隔離開關的操動機構主要是帶有限位器的無刷直流電機，它主要通過開關觸頭進行分合操作，改善了以往的液壓、氣動以及彈簧技術，具備結構復雜且連桿多等特點。

3.2 隔離開關電機機構控制系統

本系統的核心控制模塊為數字信號處理器，且系統還包括檢測電路、繞組線圈電流檢測電路、電容充放電控制電路等模塊系統。

一是設計分合閘隔離驅動控制電路，利用功率開關器件控制三相繞組電流，并設定開關軌跡，從而有效控制瞬態過壓，降低開關器件的能耗，確保元器件的安全穩定運行。在關閉功率開關器件后，電容通過二極管充電，并有效吸收關閉期間產生的du/dt；而在開通功率開關器件后，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。

二是設計電機位置的檢測電路，位置檢測電路可以測量轉子磁極的相對位置，通過正確的換相信息有效控制定子繞組換相。在本控制系統中，電機位置的檢測傳感器為三個固定在霍爾盤上的霍爾元件，利用圓形磁鋼模擬電機磁場。電機運動時，磁鋼也會隨之旋轉，進而霍爾元件的輸出電平也會發生變化，從而通過輸出信號明確電機轉子位置。

三是設計速度檢測電路，將光電耦合開關與遮光盤組成光電旋轉

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編碼器，利用其檢測轉子速度。其中，每個光電耦合開關由紅外發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，且其位于發光二極管以及光敏三極管之間。運行期間，紅外發光二極管會發出紅外光，且遮光盤轉動時，光敏三極管會不斷的導通截止紅外光，通過測量輸出信號則可知轉子速度。endprint

四是設計繞組線圈電流檢測電路，以往檢測電路利用分壓電阻方式，電阻隨著溫度的變化會出現一定誤差，無法確保測量的精確度。且外部電路與控制電路之間缺少電氣隔離，很容易對控制電路出現高強度沖擊，進而影響了控制系統運行的安全性。對此，檢測電路電流時可以采用電氣隔離的霍爾電流傳感器，其正常運行期間，電機繞組為交變電流，但由于A/D模塊輸入電壓為0至3.3伏，因此，應通過加法器控制傳感器輸出信號，并經過比例運算后確保線圈電流信號的安全性。

五是設計電容充放電控制電路，無刷直流電機摒棄了以往利用彈簧儲能方式，采用儲能電容，且設置了電容的充放電控制回路。且數字信號處理器采集電容信號，達到操作要求后，其發出信號，以停止充電。

4 控制策略

文章設計的隔離開關電機操動系統采用了雙閉環控制模式，外環為速度環，而內環則為電流環，且均采用PID控制算法。在隔離開關觸頭運功時，電機實際信號測量值與參照值之間存在誤差，之后在進入PID控制器，在外環速度調節后，將輸出信號導入PID控制器中，通過調整脈寬調制占空比控制電機速度[3]。

5 試驗結果分析

為了確保此控制系統的有效性，本文通過實驗平臺進行了調速測試，且DS開關觸頭開距為（172±2）毫米，超行程為（58±2）毫米，電機轉角度為80度，且環境溫度為25攝氏度，電容電壓為35伏，電容容量為19800微法。測試所得隔離開關合閘操作時間為（220±5）ms，電機轉動量為（80±2）度，且調速動作與行程誤差保持在3度內，觸頭速度的提升效果十分明顯。

而在隔離開關分閘行程方面，電機轉動量為（80±2）度，分閘操作時間為（280±5）ms，開始時，電機以75%脈寬調制的占空比運行，而轉動轉子角度為15度時，電機以90%脈寬調制占空比運行，且完成了合閘操作。同時，觸頭動作與行程誤差保持在2度以內，在控制調速后，觸頭速度得到了顯著提升。

6 結束語

本文改善了隔離開關操動機構電機系統，并進行了試驗分析，得到如下結論：

（1）提出了隔離開關電機操動機構的控制技術，并將其與高壓電器技術與電機控制系統進行有效結合，有效控制了隔離開關機構的操動過程，且在調試驗證后，發現此方案具備可行性。

（2）利用調速控制系統可以使隔離開關觸頭在特定行程段達到既定的速度要求，滿足了技術需求。

（3）無刷直流電機操動機構可以驅動隔離開關，實現了智能化操作，為隔離開關操動機構提供了更為先進的平臺技術。

參考文獻：

[1]陳富國，何大偉，周瑞敏，鄧冠男.550kV高壓隔離開關電機驅動智能控制系統[J].儀表技術與傳感器，2017（04）.

[2]劉愛民，吳志恒，徐建源，史可鑒，湯庚.高壓隔離開關觸頭運動智能控制策略研究（優先出版）[J].組合機床與自動化加工技術，2014（07）.

[3]張志富，潘翔，陳恒松，洪云鳳，黃賢龍.戶外高壓隔離開關操動機構定位安裝系統研制[J].電氣技術，2016（04）.endprint