高壓斷路器永磁電機機構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

劉愛民，畢玉潔，吳志恒，楊艷輝

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工業(yè)大學(xué)遼寧省電網(wǎng)安全運行與監(jiān)測重點實驗室，遼寧沈陽 110870）

高壓斷路器永磁電機機構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

劉愛民1，2，畢玉潔1，2，吳志恒1，2，楊艷輝1，2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870;2.沈陽工業(yè)大學(xué)遼寧省電網(wǎng)安全運行與監(jiān)測重點實驗室，遼寧沈陽 110870）

為實現(xiàn)126 kV高壓真空斷路器的智能化操作，滿足斷路器分合閘速度要求，提出一種新型的斷路器分合閘電機操動機構(gòu)及控制系統(tǒng)。結(jié)合126 kV高壓真空斷路器的負載特性，在分析表貼式、燕尾槽表貼埋入型、直線內(nèi)嵌型和外V內(nèi)嵌型4種電機轉(zhuǎn)子后，提出了一種多槽雙層表貼埋入式定子及轉(zhuǎn)子永磁電機設(shè)計方案，并設(shè)計了以數(shù)字信號處理器為核心的硬件控制裝置。開展126 kV高壓真空斷路器的聯(lián)機實驗，結(jié)果表明，采用上述操動機構(gòu)及控制系統(tǒng)能夠滿足126 kV高壓真空斷路器分合閘速度指標的要求，且分合閘時間具有良好的穩(wěn)定性。

真空斷路器;電機操動機構(gòu);數(shù)字信號處理器;分合閘速度;穩(wěn)定性

0 引言

高壓斷路器在電網(wǎng)系統(tǒng)中起到切斷故障線路保護電網(wǎng)穩(wěn)定運行的作用，有效的實現(xiàn)斷路器的分合閘以及自動重合閘操作對電網(wǎng)的安全以及排除故障線路都具有十分重大的意義［1－2］。

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)的真空斷路器操動機構(gòu)主要有電磁操動機構(gòu)、彈簧操動機構(gòu)和永磁操動機構(gòu)等，這些傳動機構(gòu)均存在機械零部件多，機構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)對斷路器分合閘的過程控制等缺點，難以滿足國家電網(wǎng)對電網(wǎng)電器智能化操作的要求［2－6］。

近年來，隨著新型操動機構(gòu)的相繼問世，尤其是電機操動機構(gòu)，采用電子操動系統(tǒng)控制功率器件實現(xiàn)斷路器的分、合操作，運動部件少，動作分散性小，這為高壓斷路器觸頭運動控制提供了可能［7－11］。本文針對126 kV真空斷路器的負載特性，在分析了表貼式、燕尾槽表貼埋入型、直線內(nèi)嵌型和外V內(nèi)嵌型4種電機轉(zhuǎn)子輸出性能后，提出了一種多槽雙層表貼埋入式定子及轉(zhuǎn)子永磁電機設(shè)計方案。并結(jié)合所提出的電機操動機構(gòu)搭建了以數(shù)字信號處理器為核心的控制系統(tǒng)平臺。開展126 kV真空斷路器分合閘聯(lián)機實驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析，驗證所提出的新型電機機構(gòu)能夠有效滿足高壓真空斷路器對分合閘速度的要求指標及分合閘時間穩(wěn)定性。

1.1 26kV真空斷路器電機機構(gòu)運動特性分析

電機機構(gòu)在運動過程中的各部件質(zhì)量全部歸算到f處的等效質(zhì)量為Mf，通過能量守恒原理，可求得機構(gòu)操作力與觸頭速度特性的動態(tài)關(guān)系為

式中:Fi為結(jié)構(gòu)操作力;Fj為真空斷路器反力;Ml為各軸銷處的摩擦力矩。

由于軸銷處的摩擦力矩相對操作力與斷路器反力較小，且為動觸桿行程的函數(shù)復(fù)雜，因此，工程上通常不計算各軸銷處的摩擦損耗，而是用連桿機構(gòu)的效率來表示該損耗對整個運動系統(tǒng)的影響，所以式（4）可改寫為

式中:η為運動系統(tǒng)的機械效率。

依據(jù)上述合閘不同階段等效力的計算方法，得到驅(qū)動電機主軸的負載力矩曲線如圖1所示。在0°～36.52°范圍內(nèi)為斷路器的開距階段，電機負載轉(zhuǎn)矩比較小;當(dāng)電機轉(zhuǎn)角達到36.52°時，由于觸頭彈簧初始壓力的存在，電機負載轉(zhuǎn)矩突增至最大值930 N·m，之后隨著轉(zhuǎn)角的增加，負載轉(zhuǎn)矩逐漸減小。同理分閘過程計算反力矩如圖1（b）所示。在高壓斷路器電機操動機構(gòu)的控制系統(tǒng)中，需控制驅(qū)動電機按圖1的規(guī)律出力，實現(xiàn)真空斷路器負載反力特性與機構(gòu)出力特性的合理配合。

圖1 電機機構(gòu)側(cè)力矩與觸頭行程關(guān)系Fig.1Relationship of motor mechanism side torque and contact trip

2 驅(qū)動電機的設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)子勵磁結(jié)構(gòu)的選擇

為了滿足電機機構(gòu)與真空斷路器運動特性的合理配合，分別對表貼埋入型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、燕尾槽表貼埋入型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、直線內(nèi)嵌型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和外V內(nèi)嵌型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)4種轉(zhuǎn)子勵磁結(jié)構(gòu)進行仿真分析。4種驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進型驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of modified drive motor rotor

圖3 斷路器分合閘操作時驅(qū)動電機的動態(tài)特性Fig.3Drive motor dynamic characteristic of circuit breaker opening and closing operation

圖3顯示的是在合閘、分閘過程中4種轉(zhuǎn)子的啟動電流、電磁轉(zhuǎn)矩、電機角位移曲線圖。其中1是普通表貼埋入型，2是燕尾槽表貼埋入型，3是直線內(nèi)嵌型，4是外V內(nèi)嵌型。

2.2 定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為減小電機體積，增大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇定子的繞線方式是多槽雙層繞組電機定子結(jié)構(gòu)。多槽雙層繞組電機定子結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。針對電機定子的繞組的多槽單層結(jié)構(gòu)與多槽雙層結(jié)構(gòu)的性能進行了仿真計算。

圖4 定子結(jié)構(gòu)及仿真曲線Fig.4Stator structures and the simulation curve

仿真條件:初始電壓為150 V，驅(qū)動電流100 A，旋轉(zhuǎn)角度64°～80°。其合閘過程中角位移特性曲線如圖4（b）所示。分析可知:多槽雙層的定子繞組在分合閘時間、電機的響應(yīng)時間均呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢。通過上述對電機定轉(zhuǎn)子分析，本設(shè)計電機的定子繞組選擇的是多槽雙層繞組，轉(zhuǎn)子選擇的是普通表貼埋入型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

3 基于DSP28335硬件控制平臺的搭建及聯(lián)機實驗

電機操動機構(gòu)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)如圖5所示。DSP和IGBT驅(qū)動模塊開斷相應(yīng)的通路，釋放存儲在電容器組內(nèi)的電量驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)斷路器的分合閘操作;通過改變控制器發(fā)出的PWM波信號參數(shù)控制驅(qū)動電機的電流和速度，實現(xiàn)對操動機構(gòu)動觸頭控制，進而實現(xiàn)斷路器分合閘運動過程的全程控制的要求。

圖5 電機操動機構(gòu)及控制系統(tǒng)Fig.5Motor operating mechanism and control system

根據(jù)126 kV真空斷路器主要機械特性參數(shù)如表1所示，為了驗證本電機及其控制系統(tǒng)的有效性，開展126 kV高壓真空斷路器與電機操動機構(gòu)及其控制裝置聯(lián)機實驗。圖6為126 kV高壓真空斷路器及電機機構(gòu)操作平臺。

圖6 126kV斷路器及電機機構(gòu)Fig.6126 kV circuit breaker and its motor mechanism

表1 126kV真空斷路器主要機械特性參數(shù)Table 1Parameters of mechanical characteristics of 126 kV vacuum circuit breaker

4 實驗數(shù)據(jù)分析

在實驗過程中，通過示波器分別采集了電機的三相電流、角位移信號以及剛分跳變信號，其中剛合跳變信號是為計算剛合時間。實測波形如圖7所示。

圖7 分閘實驗數(shù)據(jù)曲線Fig.7Experiment data curve of opening

根據(jù)圖7的分析可知，在外加電壓為350 V時，斷路器在30 ms左右時間內(nèi)完成了分閘動作。經(jīng)過計算，平均分閘速度達到3.45 m/s，滿足126 kV高壓真空斷路器分閘速度2.2±0.2 m/s的要求。

圖8 合閘實驗數(shù)據(jù)曲線Fig.8Experiment data curve of closing

圖8為斷路器合閘過程中電機的三相電流、角位移信號以及剛合跳變信號圖。根據(jù)圖分析可知，在外加電壓是350 V，斷路器合閘時間是40 ms，平均合閘速度為2.42 m/s，滿足了126 kV高壓真空斷路器合閘速度1.3±0.2 m/s速度要求。

為驗證該電機機構(gòu)配合設(shè)計的控制裝置工作的穩(wěn)定性，在實現(xiàn)斷路器分合閘的基礎(chǔ)上，驗證該機構(gòu)在較大機械碰撞下能完成保持分合閘時間浮動在允許范圍內(nèi)（小于2 ms）。該組實驗選擇的條件是:外加電壓是260 V，PWM占空比恒為95%。其中實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 多組分合閘實驗數(shù)據(jù)Fig.9Multidrug experimental data of closing and opening

通過圖9分析可知，3次分閘時間分別為24.08 ms、24.16 ms、25.25 ms，分閘時間浮動最大為1.17 ms，3次合閘時間分別為39.96 ms、40.09 ms、40.25 ms，合閘時間浮動最大是0.29 ms，均遠小于2 ms。證實了該機構(gòu)配合控制裝置工作時，分合閘時間呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文研究了126 kV高壓真空斷路器電機操動機構(gòu)，根據(jù)操動機構(gòu)運動特性分析，設(shè)計了操動電機及控制裝置，并通過仿真與大量實驗分析得出以下結(jié)論:

1）所設(shè)計定子繞組選擇多槽雙層繞組，轉(zhuǎn)子選擇普通表貼埋入型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的操動電機具有良好的輸出特性。

2）聯(lián)機實驗表明，在外加電壓350 V時，分閘速度達到3.45 m/s，合閘速度達到2.42 m/s，滿足126 kV真空斷路器速度要求指標。

3）分合閘時間穩(wěn)定性實驗證實，合閘時間浮動最大值是0.29 ms，分閘時間浮動的最大值是1.17 ms，均小于2 ms。具有良好的分合閘時間穩(wěn)定性。

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（編輯:劉琳琳）

Design on high voltage vacuum circuit breaker motor operating mechanism and control system

LIU Ai-min1，2，BI Yu-jie1，2，WU Zhi-heng1，2，YANG Yan-hui1，2
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China; 2.Liaoning Province Key Laboratory of Power Grid Safe Operation and Monitoring，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to achieve the intelligent operation of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker，and meet the requirement of circuit breaker opening and closing speed，a new kind of circuit breaker opening and closing motor operating mechanism and control system was proposed.Combined with the load characteristic of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker，and based on the analysis of surface－mount，dovetail groove table type，linear embedded type and type V inline four kinds of motor rotor，the design project of multi double table stick embedded type stator and the rotor permanent magnet motor were proposed，and then the control device with digital signal processor as the core was designed.Online experiment of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker was conducted.Results show that adopting the above operation mechanism and control system satisfies the opening and closing speed demands indicator of 126 kV high voltage vacuum circuit breaker and the closing time has a good stability.

vacuum circuit breaker;the motor operating mechanism;digital signal processor;opening and closing speed;stability

10.15938/j.emc.2015.01.007

TM 346

A

1007－449X（2015）01－0045－06

2014－06－04

國家自然科學(xué)基金資助（51377107）

劉愛民（1961—），女，博士，副教授，研究方向為直線電機、智能化電器;

畢玉潔（1983—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化;

吳志恒（1987—），男，碩士研究生，研究方向為高壓電器操動機構(gòu);

楊艷輝（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子及其傳動技術(shù)。

吳志恒