高壓斷路器電機驅(qū)動機構(gòu)數(shù)字控制技術(shù)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(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

斷路器能否按照預(yù)設(shè)的要求完成分合閘操作且具有穩(wěn)定性，其操動機構(gòu)性能起決定性作用.傳統(tǒng)的SF6高壓斷路器操動機構(gòu)主要有彈簧操動機構(gòu)和液壓氣動操動機構(gòu).這幾種操動機構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜機械零部件多，不能實現(xiàn)斷路器分合閘的過程控制等缺點[1-4]；為了克服傳統(tǒng)操動機構(gòu)的局限性，國內(nèi)外都展開了伺服電機驅(qū)動機構(gòu)高壓斷路器的研制和開發(fā)[5].隨著伺服電機，電力電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制斷路器相關(guān)技術(shù)得到廣泛關(guān)注；此機構(gòu)斷路器，根據(jù)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(chǎn)生控制IGBT三相逆變開關(guān)所需的PWM信號，使用伺服電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)斷路器的分合閘操作；此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，且易實現(xiàn)實時狀態(tài)檢測[6-7]，同時，隨著數(shù)字技術(shù)的深入，為智能高壓斷路器研制，提供可靠的技術(shù)支撐.

1 高壓斷路器電機驅(qū)動模型

圖1為電機驅(qū)動機構(gòu)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(guān)管IGBT，完成DSP提供的脈寬調(diào)制波，實現(xiàn)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(qū)動機構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)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(gòu)，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(dāng)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(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度不超過180°；DSP+CPLD驅(qū)動器：借鑒當(dāng)今先進的TMS320F28335數(shù)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(dāng)驅(qū)動控制器受到分合閘命令信號時，依據(jù)上述各種控制信息，控制伺服電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)斷路器的正常操作.斷路器分合閘控制器：主要完成DSP驅(qū)動器信息的監(jiān)控與傳遞及分合閘命令的操作.實現(xiàn)SF6氣體密度的監(jiān)控，為斷路器正常的分合閘提供可靠的信息源.

電機驅(qū)動機構(gòu)斷路器分合閘實現(xiàn)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(tài)的設(shè)定，為程序正常運行提供初始信息;

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

(3)數(shù)據(jù)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(qū)動機構(gòu)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(xiàn)電流的矢量控制，運用當(dāng)今先進的SVPWM脈寬調(diào)控技術(shù)，對電機速度和電流的PI調(diào)節(jié)，輸出PWM脈寬調(diào)制波，實現(xiàn)斷路器的數(shù)字控制[8].

2 高壓斷路器電機驅(qū)動機構(gòu)數(shù)字控制

2.1 伺服電機驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)字控制原理

所謂數(shù)字控制，就是將斷路器技術(shù)參數(shù)，通過程序的控制，轉(zhuǎn)換為電機的運轉(zhuǎn)過程，從而實現(xiàn)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(dāng)其沖的關(guān)鍵技術(shù)，電機的速度由電源的頻率決定，SVPWM技術(shù)，通過電機磁鏈和電壓的關(guān)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(zhuǎn)換，實現(xiàn)了交流電機的變頻調(diào)速，此技術(shù)應(yīng)用于電機驅(qū)動機構(gòu)，滿足了斷路器分合閘要求，同時實現(xiàn)了電機驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)字控制.

SVPWM實現(xiàn)三相交流伺服電機的變頻調(diào)速，由傳統(tǒng)的三相交流電機動作原理可知，電機的轉(zhuǎn)動由電機間隙得到一組幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而帶動永磁體作切割磁力線而轉(zhuǎn)動.利用上述三相交流電壓驅(qū)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(shù)參數(shù)運動特性，帶動伺服電機旋轉(zhuǎn)的角速度，以此所需磁通圓為基準(zhǔn)，用三相功率逆變器的六個功率開關(guān)的不同開關(guān)模式[9]所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)園；并由二者比較結(jié)果來驅(qū)動逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM三相波形圖，以此數(shù)值作為SVPWM調(diào)制的目標(biāo)，再反推SVPWM各橋臂的開關(guān)導(dǎo)通時間，進而去控制IGBT的驅(qū)動信號，得到SVPWM所需的調(diào)制波，滿足伺服電機的正反轉(zhuǎn)速度頻率的要求，實現(xiàn)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(shù)字控制器信號的采集，數(shù)據(jù)處理，程序計算而完成.

2.2 伺服電機驅(qū)動機構(gòu)斷路器DSP數(shù)字控制系統(tǒng)

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

首先將斷路器動觸頭動作行程轉(zhuǎn)化成伺服電機主軸轉(zhuǎn)角Qref，根據(jù)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(zhuǎn)角Q及角速度ω的反饋值進行比較，產(chǎn)生的偏差對系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，調(diào)整電機的主軸轉(zhuǎn)速；通過PI轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)，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(diào)制波PWM，從而實現(xiàn)了電機的調(diào)速，滿足斷路器機械特性的速度要求.

idref=0的控制方法，實現(xiàn)了電機電樞磁動勢與轉(zhuǎn)子磁場的正交，可使電機輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩,磁場的定向控制，實現(xiàn)了對永磁同步電機磁通和轉(zhuǎn)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(qū)動機構(gòu)，轉(zhuǎn)化為電機位置的控制過程.

3 電機驅(qū)動機構(gòu)數(shù)字控制的實驗驗證

3.1 試驗驗證

(1)為了實現(xiàn)數(shù)字控制，結(jié)合斷路器動觸頭運行特點，在滿足斷路器技術(shù)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(zhuǎn)換成伺服電機主軸轉(zhuǎn)角曲線；然后，通過伺服電機的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)斷路器的分合閘要求.

圖5為110 kV的SF6斷路器(電機驅(qū)動機構(gòu))結(jié)構(gòu)簡圖，通過動觸頭行程軌跡，推導(dǎo)出動觸頭與電機主軸的轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系式，如圖6所示；此結(jié)果應(yīng)用于產(chǎn)品程序的設(shè)計，驗證斷路器分合閘技術(shù)要求：

圖5 SF6 斷路器(電機驅(qū)動機構(gòu))結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(qū)動機構(gòu)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(zhuǎn)換成電機主軸轉(zhuǎn)角Q1；分閘過程圖(b)與合閘過程原理一樣，具體計算推導(dǎo)不再席敘.

實驗過程：依據(jù)表2產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，通過式(4)，將動觸頭行程轉(zhuǎn)換電機主軸轉(zhuǎn)角；依據(jù)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(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

計算得：分閘曲線：斷路器觸頭行程26 mm處對應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角1.12 rad；中間的30 mm對應(yīng)的角度為1rad；最后的29 mm對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)要求繪出單位時間內(nèi)電機主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線圖；如圖7所示(注：電機主軸轉(zhuǎn)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(nèi)電機主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線

圖8 合閘：單位時間內(nèi)電機主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線圖

3.2 實驗結(jié)果

以各自單位時間內(nèi)電機主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線圖為依據(jù)，實現(xiàn)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(nèi)電機主軸旋轉(zhuǎn)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(jù)分合閘行程軌跡轉(zhuǎn)換成主軸轉(zhuǎn)角運行軌跡(單位時間內(nèi))作為給定曲線，分別以各自的位置曲線為依據(jù)進行分合閘，通過試驗分析，在滿足上述技術(shù)參數(shù)情況下，發(fā)現(xiàn)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(shù)字控制下得到可靠的控制.

4 結(jié)論

(1)斷路器運用電機驅(qū)動機構(gòu)，實施斷路器分合閘，充分證明，用預(yù)現(xiàn)給定動觸頭行程曲線進行對斷路器的操作，實現(xiàn)數(shù)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(shè)計時，必須滿足超行程與加速度，時間的相互匹配.同時發(fā)現(xiàn)動觸頭的重量，電機轉(zhuǎn)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(chǎn)品正常運行的可靠保證.