高壓隔離開(kāi)關(guān)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

1、BLDCM 操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2為550kV配電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的隔離開(kāi)關(guān)實(shí)物圖。DS電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一臺(tái)配有限位器的BLDCM，它通過(guò)拐臂直接驅(qū)動(dòng)DS傳動(dòng)主軸，帶動(dòng)開(kāi)關(guān)觸頭實(shí)現(xiàn)分合操作，克服了以往的高壓隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動(dòng)技術(shù)，具有的連桿多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)．

2、DS電機(jī)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選用DSP作為控制模塊核心來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)還包括分合閘隔離驅(qū)動(dòng)控制電路、電機(jī)位置檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、繞組線圈電流檢測(cè)電路以及電容充放電控制電路等。電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制器的電氣原理圖如圖3所示。

1)分合閘隔離驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)。采用功率開(kāi)關(guān)器件IGBT來(lái)控制三相繞組電流的通斷，并設(shè)置RCD緩沖電路改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡控制各種瞬態(tài)過(guò)壓，降低器件開(kāi)關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。如圖3所示，在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，電容C通過(guò)二極管充電，吸收關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開(kāi)通后，通過(guò)電阻R放電。吸收二極管必須選用快速恢復(fù)二極管，其額定電流應(yīng)不小于主電路器件額定電流的1/10。此外，應(yīng)盡量減小線路電感，應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小且高頻特性好的吸收電容。

2)電機(jī)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。位置檢測(cè)電路起著測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，然后控制定子繞組換相。本控制系統(tǒng)采用三個(gè)鎖存型霍爾元件按一定角度固定在霍爾盤(pán)上作為電機(jī)位置檢測(cè)傳感器?；魻柋P(pán)固定在電機(jī)外殼上，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布，磁鋼固定在電機(jī)主軸上。當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)磁鋼旋轉(zhuǎn)，霍爾元件輸出電平發(fā)生變化，DSP通過(guò)捕獲霍爾元件輸出信號(hào)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子所處位置。

3)速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器去檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度，光電旋轉(zhuǎn)編碼器由固定在定子上的光電耦合開(kāi)關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤(pán)所組成。光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均勻分布，每只光耦合開(kāi)關(guān)由相互對(duì)著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤(pán)位于發(fā)光二極管和光敏三極管中間，盤(pán)上開(kāi)有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外光間斷地照在光敏三極管上，使其不斷導(dǎo)通和截止，其輸出信號(hào)反映了轉(zhuǎn)子的速度。

4)繞組線圈電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電流檢測(cè)電路多利用分壓電阻的方式，此種方法簡(jiǎn)單，但電阻會(huì)因?yàn)闇仄l(fā)生變化，無(wú)法保證測(cè)量的精度。同時(shí)外部電路與控制電路之間沒(méi)有電氣隔離，極易造成主回路中的較高電壓對(duì)控制回路的沖擊，對(duì)控制系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。因此在電流測(cè)量電路中，采用可實(shí)現(xiàn)電氣隔離的霍爾型電流傳感器CHF-400B，傳感器輸出電壓與輸入電流成比例，比值為1/100。電機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中每相繞組中的電流是交變的，但是A/D模塊的輸入電壓范圍是0～3.3V，所以在傳感器輸出信號(hào)前應(yīng)先通過(guò)加法器，再經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算電路以保證線圈電流信號(hào)的安全性。

5)電容充放電控制電路設(shè)計(jì)。BLDCM 采用儲(chǔ)能電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的彈簧等儲(chǔ)能方式。在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電容的充放電控制回路，當(dāng)控制器上電后，首先對(duì)電容器組進(jìn)行充電，由DSP采集電容電壓的信號(hào)并進(jìn)行處理，當(dāng)電壓值達(dá)到系統(tǒng)操作要求時(shí)，DSP發(fā)出停止充電指令，切斷外界電源。

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)外環(huán)均采用PID控制算法，系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

在DS觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)側(cè)參考速度值與電機(jī)實(shí)際測(cè)量到的信號(hào)比較得到誤差信號(hào)。誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PID控制器，進(jìn)行外環(huán)的速度調(diào)節(jié)，速度環(huán)的輸出信號(hào)作為電流PID控制器輸入信號(hào)，電流環(huán)的輸出信號(hào)給IGBT模塊提供脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)調(diào)整PWM 的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中，隔離開(kāi)關(guān)(DS)的使用量是最大的，在高壓電網(wǎng)中起到隔離線路，建立可靠絕緣間隙的作用，DS還用于換接線路以及變換母線接線方式。DS性能的好壞直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，是高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一。

高壓隔離開(kāi)關(guān)在分合閘過(guò)程中常由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)速度的快或慢而引起拒分、拒合、分合閘不到位以及傳動(dòng)部件損壞變形等故障，因此，有必要對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。以往的高壓隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動(dòng)技術(shù)，具有連桿多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，因此，其累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差大、響應(yīng)緩慢、可控性差，難以實(shí)現(xiàn)觸頭的運(yùn)動(dòng)控制。

為了能讓開(kāi)關(guān)觸頭在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有良好的可控性，提高其分合閘可靠性，減少操作故障，在高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上，提出了高壓隔離開(kāi)關(guān)無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了其調(diào)速控制系統(tǒng)。以550kV高壓隔離開(kāi)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程為研究對(duì)象，搭建了以DSP為核心的控制系統(tǒng)，采用電流和速度雙閉環(huán)控制策略對(duì)觸頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。通過(guò)基于DSP的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)DS分合閘過(guò)程中觸頭運(yùn)動(dòng)的調(diào)速控制。

BLDCM三相繞組的電壓平衡方程可表示為

定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方程與運(yùn)動(dòng)方程分別為：

式中：

u_a、u_b、u_c——為定子相繞組電壓;

r——為定子每相電阻;

i_a、i_b、i_c——為定子相繞組電流;

e_a、e_b、e_c——為定子相繞組電動(dòng)勢(shì);

L——為每相繞組的電感;

M——為每相繞組間的互感;

p——為微分算子;

T_e——為電磁轉(zhuǎn)矩;

T_L——為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;

B——為阻尼系數(shù);

J——為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

ω——為電機(jī)機(jī)械角速度。

根據(jù)其數(shù)學(xué)模型分析可知，為了能夠?qū)﹄姍C(jī)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，須在兩相繞組的兩端加上可變電壓，采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)獲得可變電壓。DS觸頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力由BLDCM提供，觸頭運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)整是通過(guò)改變PWM 的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的占空比下電機(jī)帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的行程是不同的，如圖1所示，從左至右依次為占空比是90%、75%、65%、60%電機(jī)運(yùn)動(dòng)的行程曲線。從圖1中可以得出，占空比越大，行程曲線的上升斜率越大，即電機(jī)轉(zhuǎn)速越大;隨著占空比的減小，行程曲線斜率變小，即電機(jī)轉(zhuǎn)速變小。

通過(guò)實(shí)時(shí)改變PWM 的占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制，使觸頭運(yùn)動(dòng)能夠在特定的行程點(diǎn)達(dá)到特定的速度要求。

對(duì)DS操動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建并做了大量的試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合對(duì)BLDCM數(shù)學(xué)模型分析，提出并研究了DS電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制技術(shù)。該操動(dòng)系統(tǒng)將高壓電器技術(shù)和電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)理論及應(yīng)用技術(shù)結(jié)合，克服了傳統(tǒng)DS機(jī)構(gòu)操動(dòng)過(guò)程的不可控.經(jīng)過(guò)運(yùn)行、調(diào)試，結(jié)果證明了該方案的可行性。

2)通過(guò)調(diào)速控制系統(tǒng)，能夠使DS觸頭在特定行程段達(dá)到特定的速度以滿足550kVDS技術(shù)指標(biāo)要求。

3)BLDCM操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅能提供基本的DS驅(qū)動(dòng)功能，更能夠?qū)崿F(xiàn)DS操動(dòng)過(guò)程的智能化操作，為高壓隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了更先進(jìn)的應(yīng)用平臺(tái)新技術(shù)。

將永磁體、儲(chǔ)能電容和電子控制器組成能源的動(dòng)力操動(dòng)機(jī)構(gòu)。如還帶有分閘彈簧,稱(chēng)單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本書(shū)由兩大部分組成。按"電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)"及"電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)"兩門(mén)課程的最新教學(xué)大綱編寫(xiě),是一本專(zhuān)用教學(xué)實(shí)驗(yàn)教材。實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用了浙江大學(xué)求是公司的專(zhuān)用設(shè)備。第1篇為電機(jī)實(shí)驗(yàn),包括直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)、變壓器實(shí)驗(yàn)及異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)。第2篇為電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。 2100433B

普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材，教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)牽頭規(guī)劃。網(wǎng)絡(luò)資源處為本書(shū)PPT、教學(xué)計(jì)劃、素材、勘誤表等。

圖書(shū)簡(jiǎn)介

本書(shū)是清華大學(xué)出版社2006年出版的《電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》的第2版，以適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)電機(jī)及控制系統(tǒng)的知識(shí)需求。

本書(shū)的主要內(nèi)容有： (1)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本原理； (2)直流、交流電機(jī)基本工作原理、外特性及建模； (3)直流、交流電機(jī)傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)的原理、分析和設(shè)計(jì)方法。本書(shū)在體現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)性、理論性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，突出了“少學(xué)時(shí)、重基礎(chǔ)，將電機(jī)原理與控制系統(tǒng)融為一體”的特色。

本書(shū)可作為大學(xué)自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的本科生教材，或相關(guān)或相鄰專(zhuān)業(yè)的研究生教材，也可供工程技術(shù)人員參考。 2100433B