高壓斷路器電機驅動機構數字控制技術研究

柏長宇，錢凱，韓國輝，張國躍，王正奇，董華軍，

(1.平高集團有限公司,河南 平頂山 467001；2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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SF6高壓斷路器操動機構主要有彈簧操動機構和液壓氣動操動機構.這幾種操動機構雖然可以輸出足夠的操作功,滿足動作快速性要求，但也存在著結構復雜機械零部件多，不能實現斷路器分合閘的過程控制等缺點[1-4]；為了克服傳統操動機構的局限性，國內外都展開了伺服電機驅動機構高壓斷路器的研制和開發[5].隨著伺服電機，電力電子技術的發展，數字控制斷路器相關技術得到廣泛關注；此機構斷路器，根據斷路器動觸頭的運動曲線，通過對電機電流，位置信號的采集，運用SVPWM電壓矢量控制算法，產生控制IGBT三相逆變開關所需的PWM信號，使用伺服電機的雙閉環控制系統，實現斷路器的分合閘操作；此系統具有結構簡單，運行可靠，且易實現實時狀態檢測[6-7]，同時，隨著數字技術的深入，為智能高壓斷路器研制，提供可靠的技術支撐.

1 高壓斷路器電機驅動模型

圖1為電機驅動機構斷路器簡圖，其中，儲能電容C：為保證斷路器分合閘操作所需幾十安培的操作電流，提供可靠的能源保障；逆變控制器：運用全控型大功率開關管IGBT，完成DSP提供的脈寬調制波，實現電機變頻速度的控制；充電單元：儲能電容所需的直流電能，都由充電單元所提供，由于電機驅動機構分合閘操作所需操作功較大，如果引用變電站的直流電，將造成斷路器分合操作時，對變電站電源系統的振蕩；同時，為了防患主電源故障，將其直流電源作為備用電源，維持變電站電源系統的穩定取著決定性的作用；伺服電機M：伺服電機是高壓斷路器正常運行的動力機構，為了滿足高壓斷路器分合閘時間及操作功，伺服電機必須借鑒當今先進的永磁材料及旋變控制器，特制一款滿足高壓斷路器特性的伺服電機，使其轉動慣量小，轉軸轉動角度不超過180°；DSP+CPLD驅動器：借鑒當今先進的TMS320F28335數字信號處理芯片，通過對電流，電機位置信號的采集和處理，對伺服電機M進行實時控制.斷路器的各種連鎖控制通過CPLD可編程控制器得到解決；當驅動控制器受到分合閘命令信號時，依據上述各種控制信息，控制伺服電機轉動，實現斷路器的正常操作.斷路器分合閘控制器：主要完成DSP驅動器信息的監控與傳遞及分合閘命令的操作.實現SF6氣體密度的監控，為斷路器正常的分合閘提供可靠的信息源.

電機驅動機構斷路器分合閘實現程序控制，其程序框圖如圖2所示.

其程序化框圖包含3個部分：

(1)程序初始化：完成功能模塊，工作模塊，初始狀態的設定，為程序正常運行提供初始信息;

(2)系統的巡檢：采集伺服電機的驅動電流，內部轉子(永磁體)的角度，直流驅動電壓，包括斷路器動觸頭的位置等等各種信息，實現斷路器的檢測功能；同時等待分合閘命令的觸發;

(3)數據處理及命令解析：也就是我們常說的定時中斷子程序，此過程是斷路器電機驅動機構程序運行的重要部分，通過對電機電流的采樣，位置的檢測，實現電流的矢量控制，運用當今先進的SVPWM脈寬調控技術，對電機速度和電流的PI調節，輸出PWM脈寬調制波，實現斷路器的數字控制[8].

2 高壓斷路器電機驅動機構數字控制

2.1 伺服電機驅動機構的數字控制原理

所謂數字控制，就是將斷路器技術參數，通過程序的控制，轉換為電機的運轉過程，從而實現斷路器的分合閘.

高壓斷路器正常分合閘，必須滿足斷路器動觸頭的分合閘速度，及動作所需操作功的要求，電機的提速及操作功是首當其沖的關鍵技術，電機的速度由電源的頻率決定，SVPWM技術，通過電機磁鏈和電壓的關系，用8個基本電壓矢量合成期望的輸出電壓矢量，通過直流電壓的轉換，實現了交流電機的變頻調速，此技術應用于電機驅動機構，滿足了斷路器分合閘要求，同時實現了電機驅動機構的數字控制.

SVPWM實現三相交流伺服電機的變頻調速，由傳統的三相交流電機動作原理可知，電機的轉動由電機間隙得到一組幅值恒定的圓形旋轉磁場，從而帶動永磁體作切割磁力線而轉動.利用上述三相交流電壓驅動所需的伺服電機，獲得圓形磁鏈軌跡這一理論；以斷路器動觸頭技術參數運動特性，帶動伺服電機旋轉的角速度，以此所需磁通圓為基準，用三相功率逆變器的六個功率開關的不同開關模式[9]所產生的實際磁通去逼近基準園；并由二者比較結果來驅動逆變器的開關狀態，形成PWM三相波形圖，以此數值作為SVPWM調制的目標，再反推SVPWM各橋臂的開關導通時間，進而去控制IGBT的驅動信號，得到SVPWM所需的調制波，滿足伺服電機的正反轉速度頻率的要求，實現斷路器的分合閘，如圖3伺服電機逆變控制器,此過程由DSP數字控制器信號的采集，數據處理，程序計算而完成.

2.2 伺服電機驅動機構斷路器DSP數字控制系統

圖4為以TMS320F28335數字信號處理器(DSP)為核心，結合斷路器運行特性，繪制伺服電機DSP數字控制機構流程圖[10].

首先將斷路器動觸頭動作行程轉化成伺服電機主軸轉角Qref，根據斷路器的分合閘速度要求，繪制出伺服電機主軸的角速度曲線ωref.

然后，將Qref及ωref作為參考值，與伺服電機主軸轉角Q及角速度ω的反饋值進行比較，產生的偏差對系統自動調節，調整電機的主軸轉速；通過PI轉差頻率矢量控制得到電機定子線圈電流iqref.

最后，電機的三相電流ia,ib,ic，通過Clarke和Park變換，得到的id與iq反饋給PI控制器，運用idref=0的控制方法，通過PI調節，Park的反變換，運用SVPWM電壓矢量控制算法，得到IGBT所需的脈寬調制波PWM，從而實現了電機的調速，滿足斷路器機械特性的速度要求.

idref=0的控制方法，實現了電機電樞磁動勢與轉子磁場的正交，可使電機輸出轉矩與q軸電流成正比，通過控制q軸電流就可以控制電機輸出的轉矩,磁場的定向控制，實現了對永磁同步電機磁通和轉矩的解耦控制，可得到類似于直流電機的良好控制性能[11].

綜上：斷路器分合閘控制過程，實際將伺服電機驅動機構，轉化為電機位置的控制過程.

3 電機驅動機構數字控制的實驗驗證

3.1 試驗驗證

(1)為了實現數字控制，結合斷路器動觸頭運行特點，在滿足斷路器技術特性的要求情況下，繪制出斷路器動觸頭單位時間里的行程曲線，此行程曲線將斷路器動觸頭行程位移轉換成伺服電機主軸轉角曲線；然后，通過伺服電機的雙閉環控制，實現斷路器的分合閘要求.

圖5為110 kV的SF6斷路器(電機驅動機構)結構簡圖，通過動觸頭行程軌跡，推導出動觸頭與電機主軸的轉角函數關系式，如圖6所示；此結果應用于產品程序的設計，驗證斷路器分合閘技術要求：

圖5 SF6 斷路器(電機驅動機構)結構圖

(a)合閘運動軌跡 (b)中間 (c)分閘運動軌跡

通過圖6：將SF6斷路器動觸頭行程XL轉換成電機主軸的角度；由圖(a)合閘運動軌跡知

(1)

(2)

即

(3)

(4)

由式(4)可知，電機驅動機構的拐臂尺寸L1，絕緣拉桿尺寸L2，通過機械傳動，將斷路器動觸頭行程XL轉換成電機主軸轉角Q1；分閘過程圖(b)與合閘過程原理一樣，具體計算推導不再席敘.

實驗過程：依據表2產品技術參數，通過式(4)，將動觸頭行程轉換電機主軸轉角；依據速度要求，定義動觸頭行程路線；通過計算，繪出電機主軸的運動軌跡圖.

表2 產品技術參數

計算得：分閘曲線：斷路器觸頭行程26 mm處對應電機轉軸轉角1.12 rad；中間的30 mm對應的角度為1rad；最后的29 mm對應的電機轉軸轉角為1.02 rad.為了滿足斷路器分閘速度要求：即剛分點至分后10 ms的平均速度為3.8 m/s，因此將電動機分閘運行行程設定為：從0～1.12 rad為勻加速，達到3.8 m/s速度要求，然后勻速運行10 ms，最后勻減速運行至3.14 rad處；通過以上技術要求繪出單位時間內電機主軸旋轉角度曲線圖；如圖7所示(注：電機主軸轉角為半圓)；圖8所示合閘曲線與上述原理雷同.

圖7 分閘：單位時間內電機主軸旋轉角度曲線

圖8 合閘：單位時間內電機主軸旋轉角度曲線圖

3.2 實驗結果

以各自單位時間內電機主軸旋轉角度曲線圖為依據，實現斷路器的分合閘；通過試驗，得到圖9.圖10斷路器合分閘曲線示波圖；其中線條(Open Curve3)為單位時間內電機主軸旋轉角度曲線，其余5條為實際操作5次所得分合閘操作曲線.

圖9 斷路器合閘實驗示波圖

圖10 斷路器分閘實驗示波圖

由示波圖可知：斷路器動觸頭依據分合閘行程軌跡轉換成主軸轉角運行軌跡(單位時間內)作為給定曲線，分別以各自的位置曲線為依據進行分合閘，通過試驗分析，在滿足上述技術參數情況下，發現二者測試曲線與給定曲線有很好的跟蹤特性，且動觸頭行程在伺服電機數字控制下得到可靠的控制.

4 結論

(1)斷路器運用電機驅動機構，實施斷路器分合閘，充分證明，用預現給定動觸頭行程曲線進行對斷路器的操作，實現數字控制，是可行的;

(2)為了保證斷路器可靠的速度特性，在程序設計時，必須滿足超行程與加速度，時間的相互匹配.同時發現動觸頭的重量，電機轉動慣量對曲線跟蹤有一定影響，且電機的儲能電容，電機操作功是產品正常運行的可靠保證.