高壓斷路器運動特性閉環(huán)控制技術(shù)的研究

高壓斷路器滅弧室動觸頭的運動特性對斷路器的開斷、關(guān)合能力有很大的影響?，F(xiàn)在的高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)的操作過程都是開環(huán)方式，不能實現(xiàn)運動全過程的調(diào)節(jié)控制。本項目研究高壓斷路器滅弧室動觸頭運動的閉環(huán)控制技術(shù)，在開斷、關(guān)合過程中，控制單元驅(qū)動操動機(jī)構(gòu)運動，把動觸頭的位置反饋信號和預(yù)期行程曲線數(shù)據(jù)相比較，送出進(jìn)一步的控制信號，通過閉環(huán)控制，以獲得預(yù)期的動觸頭運動行程特性。.以電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)為對象，通過建立數(shù)學(xué)模型、計算機(jī)仿真計算、設(shè)計和制造能實現(xiàn)閉環(huán)控制技術(shù)要求的電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)操動的SF6高壓斷路器樣機(jī)、設(shè)計和實現(xiàn)控制程序、樣機(jī)試驗，研究高壓斷路器滅弧室動觸頭運動特性的閉環(huán)控制方法。.本項目的有關(guān)成果，可以提高斷路器的開斷、關(guān)合能力、機(jī)械電氣壽命和運行可靠性，對提高斷路器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平具有重要意義，有實際應(yīng)用前景。

課題以交流接觸器為研究對象，提出了全閉環(huán)實時控制思路，在結(jié)構(gòu)本體三維設(shè)計、電磁機(jī)械特性分析、控制方案比較分析中開展了大量的研究工作。 1、主要研究內(nèi)容： （1）最佳觸頭閉合與分?jǐn)鄥^(qū)域的尋找；（2）建立動態(tài)仿真數(shù)據(jù)庫；（3）建立用于全閉環(huán)控制的特征參量；（4）設(shè)計具有起動閉環(huán)、保持閉環(huán)、觸頭系統(tǒng)反饋環(huán)的全閉環(huán)控制系統(tǒng)；（5）采用理論分析、模擬仿真、實驗研究相結(jié)合的研究方法，形成完整的交流接觸器智能控制理論。 2、主要研究結(jié)果： （1）建立了含觸頭與電磁系統(tǒng)的交流接觸器三維全仿真動態(tài)模型，考慮運動過程中摩擦力、碰撞過程形變等因素的影響，將描述材料形變量的本構(gòu)方程、運動方程以及邊界約束引入到控制方程中，建立了三維運動模型，分析了觸頭的一次和二次彈跳，以及鐵心彈跳對觸頭彈跳的影響。 （2）利用課題組自制的“電磁系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計平臺”，對系列交流接觸器的運動過程進(jìn)行分析，尋找最佳、最差分、合閘相角。針對E型電磁系統(tǒng)，得出最差合閘相角在 80°-100°之間的現(xiàn)象，最差分閘相角由于三相系統(tǒng)燃弧情況的復(fù)雜性，不易確定。但“零電流分?jǐn)嗫刂啤狈桨傅膶嵤?，為分?jǐn)噙^程實現(xiàn)無弧或少弧控制提供了方案，已在新型單相接觸器中得以實現(xiàn)。 （3）對電磁機(jī)構(gòu)吸合電流進(jìn)行直接閉環(huán)控制，實現(xiàn)交流接觸器吸合過程觸頭無彈跳（或少彈跳）、吸持階段節(jié)能運行、分?jǐn)噙^程快速分?jǐn)嗟墓ぷ鳡顟B(tài)。以電流閉環(huán)作為基礎(chǔ)內(nèi)環(huán)，吸合過程采用斜率外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)，減少吸合彈跳，吸持階段僅靠電流閉環(huán)進(jìn)行可靠的節(jié)能無聲運行。通過小波分析，尋找觸頭彈跳期間觸頭電壓的高尺度小波能量時譜變換值，作為反映彈跳時間和彈跳幅度的變化量，引入智能控制模塊，實現(xiàn)全閉環(huán)實時控制，這部分的樣機(jī)驗證工作還需要進(jìn)一步完善。 （4）將控制模塊的電路仿真、可編程芯片中的軟件控制策略仿真、接觸器本體的三維多物理場動態(tài)仿真相結(jié)合，實現(xiàn)硬件控制電路、軟件控制策略及接觸器本體設(shè)計一體化的逐點閉環(huán)仿真，實現(xiàn)最佳控制策略與本體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 （5）研究不同條件下分?jǐn)噙^程觸頭電弧電壓的變化規(guī)律，確定最佳分?jǐn)鄥^(qū)域并分析該區(qū)域前后范圍內(nèi)分?jǐn)嚯娀〉闹厝记闆r。利用電弧識別模型研究電弧重燃判據(jù)，進(jìn)一步完善交流接觸器的全閉環(huán)實時控制。 項目成果共獲得2項福建省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，結(jié)合該項目的研究，培養(yǎng)碩士7名，博士3名，發(fā)表論文35篇，被EI收錄18篇，申請國家發(fā)明專利25項，授權(quán)16項。

低壓電磁電器智能化控制技術(shù)的發(fā)展，由于機(jī)構(gòu)動作分散性、吸合過程鐵心與觸頭的彈跳、分?jǐn)噙^程觸頭之間電弧等諸多因素的影響，受到制約。對交流電磁電器而言，系統(tǒng)相位角、幅值等參數(shù)隨時間變化，使得交流開關(guān)器件在不同的時刻合閘或分閘時，電壓和電流的差別很大，影響其動作特性的因素更加不確定，因而智能化控制難度更大。能否借助現(xiàn)代控制理論、仿真技術(shù)、實驗研究等手段，徹底改變傳統(tǒng)低壓電器的工作模式，形成具有自學(xué)習(xí)和自主控制的新一代開關(guān)電器，是本課題想要解決的問題。課題以交流接觸器為研究對象，通過實驗研究與仿真設(shè)計相結(jié)合的方法，尋找不同相角情況下，交流接觸器特性的影響因素，得出最佳吸合過程和分?jǐn)噙^程的控制模式，采用形態(tài)小波算法，尋找能夠反映接觸器觸頭參數(shù)的特征參量，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)研究交流接觸器全閉環(huán)實時在線控制的相關(guān)技術(shù)和相關(guān)理論，希望形成電磁電器新控制思路。項目屬于交流電磁電器智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

對于某些低功率應(yīng)用，內(nèi)在控制簡單，微電機(jī)及驅(qū)動器、高密度轉(zhuǎn)矩步進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成了伺服電機(jī)可行的選擇。

步進(jìn)是唯一可以在開環(huán)情況下運行，而不需位置反饋的運動控制方法。

基于步進(jìn)的運動系統(tǒng)可以達(dá)到0.75千瓦（1馬力）的功率，但對大多數(shù)應(yīng)用來說，都是在較低輸出功率中運行的。大批廠商關(guān)注于這個市場。

Baldor電氣的實時運動控制器NextMovee100，可以為16個軸進(jìn)行插值，并且最多可以管理連接到以太網(wǎng)Powerlink上的240個軸。這些軸處理簡單的點對點運動、引導(dǎo)序列、點動控制，以及與步進(jìn)（伺服）運動系統(tǒng)相關(guān)的扭矩需求。