張紅奎，劉愛民，杜春梅，楊華松

(1.煤炭科學(xué)研究總院 沈陽研究院，遼寧 撫順 113122;2.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽110870;3.河北建筑工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，河北張家口 075024)

0 引言

高壓斷路器的分、合閘特性，取決于其開斷電流的類型，每個(gè)操作過程動觸頭都有一個(gè)理想運(yùn)動特性曲線，觸頭按此理想曲線運(yùn)動可提高斷路器的分、合閘能力。傳統(tǒng)高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)是采用彈簧、液壓等技術(shù)，這些操動機(jī)構(gòu)主要是由連桿、鎖扣以及能量供應(yīng)系統(tǒng)等組成，環(huán)節(jié)多、累計(jì)運(yùn)動誤差大且響應(yīng)緩慢，可控性差，效率低，響應(yīng)時(shí)間一般要幾十毫秒。另外這些操動機(jī)構(gòu)的動作時(shí)間分散性也比較大，對于交流控制信號甚至＞10ms，即使采用直流操作，動作時(shí)間的分散性也在毫秒級。因此，操動機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘動作要求，但動作過程不可控，不能實(shí)現(xiàn)對操動過程的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制。所以傳統(tǒng)控制方式下高壓斷路器的動觸頭運(yùn)動特性難以達(dá)到理想的水平。

永磁無刷直流電機(jī)操動機(jī)構(gòu)，通過傳動裝置驅(qū)動斷路器轉(zhuǎn)軸，帶動斷路器進(jìn)行分合閘操作。免去復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，運(yùn)動部件少，動作可靠性得到提高。本課題組在高壓斷路器新型電機(jī)操動機(jī)構(gòu)方面有比較深入的研究，提出了應(yīng)用于高壓斷路器電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、控制策略和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，研制樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)的聯(lián)機(jī)性能試驗(yàn)。在前期研究工作的基礎(chǔ)上，本文針對控制對象應(yīng)用于高壓斷路器的分、合閘操作的特殊場合，以TMS320F2812為核心設(shè)計(jì)了永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，對電機(jī)位置和繞組電流檢測電路、CAN總線通訊和溫度保護(hù)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)動觸頭移動位置、速度可控可調(diào)。精確地控制斷路器觸頭運(yùn)動過程，可得到理想的分合閘特性曲線。

1 永磁無刷直流電機(jī)操動機(jī)構(gòu)

(1)總體結(jié)構(gòu)

圖1為本文的控制對象40.5kV戶內(nèi)真空斷路器永磁無刷直流電機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖。電機(jī)操動機(jī)構(gòu)是由一臺配有制動裝置的永磁無刷直流電機(jī)直接驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)帶動斷路器動作，電機(jī)通過法蘭與斷路器轉(zhuǎn)軸連接。電機(jī)機(jī)構(gòu)與斷路器之間的傳動機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、拐臂、觸頭彈簧、絕緣拉桿和三角拐臂組成的一套四連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

圖1 高壓斷路器永磁無刷直流電機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

(2)伺服控制系統(tǒng)

本伺服系統(tǒng)選用電機(jī)專用芯片TMS320F28 12作為控制模塊核心來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)還包括電機(jī)位置檢測電路、隔離驅(qū)動電路、保護(hù)電路和CAN通訊電路等。電機(jī)位置檢測電路為電機(jī)換向和停止提供信號;CAN通訊電路實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸;保護(hù)電路包括電壓、電流及溫度檢測電路，其功能是將系統(tǒng)的運(yùn)行信息反饋給DSP芯片，為系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保證。其中控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)控制器上電后，首先對電容器組進(jìn)行充電，DSP采集電容電壓的信號并進(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。然后根據(jù)LED顯示屏上的斷路器位置，確定電機(jī)動作信息，按下相應(yīng)的操作按鈕，DSP根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路反饋的信號發(fā)出控制指令通過隔離驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)的IGBT模塊導(dǎo)通，給電機(jī)繞組通電驅(qū)動電機(jī)帶動斷路器動作。最后DSP檢測到斷路器動作結(jié)束信號，停止控制信號的輸出關(guān)斷IGBT模塊，使電機(jī)操動機(jī)構(gòu)停止動作。同時(shí)保護(hù)電路實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)運(yùn)行信息，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，DSP關(guān)斷IGBT模塊輸出，鎖定控制器動作。由機(jī)械裝置將電機(jī)機(jī)構(gòu)拉回動作起始位置。DSP繼續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)信息，當(dāng)檢測到系統(tǒng)正常時(shí)，控制器繼續(xù)工作。

2 伺服控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

(1)分/合閘驅(qū)動及控制電路

本文采用功率開關(guān)器件IGBT來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關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。如圖3所示，在IGBT關(guān)斷過程中，電容C通過二極管充電，吸收關(guān)斷過程產(chǎn)生的du/dt，在IGBT開通后，通過電阻R放電。電路如圖4所示。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，且應(yīng)選用內(nèi)部電感盡量小高頻特性好的吸收電容。

圖3 橋式驅(qū)動電路圖及緩沖電路

(2)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求及安裝方便，本控制器采用鎖存型霍爾元件作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器，該元件的輸出特性如圖4a所示。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部磁場分布及霍爾元件特性，將三個(gè)霍爾元件按圖4b所示角度固定在霍爾盤上。因霍爾盤在電機(jī)內(nèi)部不易安裝，故將其安裝在電機(jī)外部。將霍爾盤固定在電機(jī)外殼上，制作一個(gè)圓形磁鋼模擬電機(jī)內(nèi)部磁場分布，磁鋼固定在主軸上，兩者間距5mm左右。

圖4 霍爾傳感器的輸出特性及空間分布圖

控制器上電后，霍爾元件根據(jù)磁鋼的位置輸出高低電平，DSP芯片根據(jù)高低電平信號判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，輸出正確的驅(qū)動信號，使電機(jī)動作。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)角的變化，霍爾元件輸出電平也發(fā)生變化，DSP芯片根據(jù)霍爾元件的高低電平來確定IGBT的導(dǎo)通順序，使電機(jī)繼續(xù)動作一直到所要求角度。

(3)電機(jī)繞組電流檢測電路設(shè)計(jì)

在很多電路設(shè)計(jì)中，采用串接分壓電阻作為傳感器實(shí)現(xiàn)對電流信號檢測，這種檢測的方法簡單實(shí)用，但由于溫漂影響難以保證電阻值穩(wěn)定不變，所以采集的電流值精度不高，且控制系統(tǒng)的反饋電路與主電路沒有經(jīng)過隔離，一旦功率電路的高電壓通過反饋電路進(jìn)入控制電路，勢必會危及控制系統(tǒng)的安全。本文采用霍爾型電流傳感器對電流進(jìn)行檢測，霍爾元件輸出的為電流信號較弱，必須采用精密電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號后，得到電壓信號，通過OP07放大器構(gòu)成的電壓跟隨器后輸入DSP的ADC模塊。該電流檢測電路原理圖如圖5所示。

圖5 LT 208-S7霍爾型電流傳感器接口電路

通過采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入TMS320F2812的ADC模塊后，作為電流反饋值，組成了電流內(nèi)環(huán)，與給定的電流信號比較形成偏差，DSP根據(jù)偏差信號調(diào)節(jié)電流大小，和速度外環(huán)形成了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，最終控制觸頭速度特性。內(nèi)環(huán)的主要作用是加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)外部負(fù)載波動時(shí)，電機(jī)電流將發(fā)生變化，電流環(huán)就可以加強(qiáng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

(4)溫度檢測電路設(shè)計(jì)

將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柺窃O(shè)計(jì)溫度檢測電路的關(guān)鍵。AD590是美國AD公司研制的一種電流式集成溫度傳感器，這種器件在被測溫度一定時(shí)，相當(dāng)于恒流源，輸出1μA/K正比于絕對溫度的電流信號，具有較強(qiáng)的線性度和抗干擾能力，溫度檢測電路如圖6所示。隨著溫度的升高，AD590輸出電流增大，把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓比較器3腳電壓也隨著增加，而反相端電壓是一個(gè)固定值，當(dāng)3腳電壓超過反向端電壓時(shí)，輸出過熱信號給DSP芯片。當(dāng)繞組和散熱片發(fā)生過熱時(shí)，由DSP驅(qū)動散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，降低其溫度。

(5)CAN通訊電路設(shè)計(jì)

由于TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型eCAN模塊，使得CAN總線通訊硬件電路的設(shè)計(jì)變得非常簡單。為增大系統(tǒng)的通信距離、提高瞬間抗干擾能力、降低射頻干擾等，選用CTM8251T作為CAN控制器與物理總線的接口芯片。將DSP的CAN控制器的收發(fā)信號CANTX、CANRX經(jīng)具有隔離功能的收發(fā)器CTM8251T連接到CAN物理總線?？偩€末端連接一個(gè)匹配電阻，用來提高總線的抗干擾能力。其中CAN總線和TMS320 F2812硬件連接如圖7所示。

圖6 控制系統(tǒng)溫度檢測電路

圖7 控制器與CAN總線接口的電路圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高壓斷路器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路是實(shí)現(xiàn)各部分功能的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)和信息反饋都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)了相應(yīng)的軟件程序如圖8所示。主程序完成DSP系統(tǒng)的初始化后，不斷檢測斷路器的工作狀態(tài)和下一步動作指令，當(dāng)接到動作信號開始動作，實(shí)時(shí)檢測動觸頭行程、電機(jī)轉(zhuǎn)角和速度等信號，并不斷根據(jù)理想操作曲線實(shí)時(shí)的調(diào)整電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)斷路器動觸頭速度的動態(tài)調(diào)節(jié)，直到斷路器完成分合閘操作。當(dāng)斷路器完成分合閘操作后，應(yīng)使斷路器的工作狀態(tài)恢復(fù)到初始值，以免影響下一步操作。由于斷路器的分合閘操作由電機(jī)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動，實(shí)時(shí)性要求很高，因此采用了中斷方式對控制器的調(diào)控進(jìn)行處理，即可以在接收上位機(jī)發(fā)出的分、合閘命令第一時(shí)間動作，以提高斷路器的響應(yīng)速度，又不影響系統(tǒng)其它功能的實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與高壓斷路器電機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接如圖9所示。DSP通過IGBT控制電網(wǎng)電壓經(jīng)過調(diào)壓器電壓調(diào)節(jié)輸出給電容器組充電，電容電壓達(dá)到操作值時(shí)，關(guān)斷IGBT停止對電容器組充電。在高壓斷路器分、合閘操作時(shí)，DSP發(fā)出IGBT驅(qū)動信號控制電機(jī)繞組的導(dǎo)通順序，電機(jī)帶動滅弧室動觸頭運(yùn)動，進(jìn)而驅(qū)動高壓斷路器完成分、合閘操作。同時(shí)，傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角和高壓斷路器動觸頭信息，并反饋給DSP，DSP對反饋信號進(jìn)行處理后，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)斷路器的運(yùn)動速度。

根據(jù)斷路器的觸頭行程和電機(jī)轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系，可得分、合閘操作時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)57°。實(shí)驗(yàn)采用電阻式高精度角位移傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)角，使用9V的鋰電池為傳感器供電，輸出一個(gè)的電壓信號經(jīng)過隔離濾波、電平轉(zhuǎn)換后接入DSP芯片的ADC模塊。測量采用實(shí)驗(yàn)測得電機(jī)轉(zhuǎn)角波形如圖10所示。從圖可知，分、合閘操作電機(jī)旋轉(zhuǎn)57°，滿足斷路器的操作要求。

圖8 主程序流程圖

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接圖

圖10 分、合閘操作電機(jī)轉(zhuǎn)角曲線

高壓斷路器分合閘操作時(shí)，動觸頭行程曲線如圖11所示，通過實(shí)驗(yàn)可知，分閘操作用時(shí)約28ms，合閘操作用時(shí)33ms左右，斷路器動觸頭行程約為20mm?？刂葡到y(tǒng)可以按照外界指令要求驅(qū)動電機(jī)機(jī)構(gòu)帶動斷路器完成分合閘操作，實(shí)現(xiàn)了操動機(jī)構(gòu)的基本功能。

圖11 分、合閘操作時(shí)斷路器觸頭行程曲線

5 結(jié)束語

隨著國家智能電網(wǎng)及智能開關(guān)設(shè)備的發(fā)展，本文針對應(yīng)用于高壓斷路器的新型電機(jī)操動機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。基于已有的40.5kV真空斷路器永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)，設(shè)計(jì)了其伺服控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，主要電路包括：功率驅(qū)動電路、電機(jī)位置檢測電路、電機(jī)繞組電流檢測電路、CAN通訊電路及系統(tǒng)保護(hù)電路等。將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與高壓斷路器電機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠驅(qū)動高壓斷路器完成分合閘操作，證明了本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的合理性

［1］林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］李永祥，林莘，徐建源.高壓斷路器永磁無刷直流電機(jī)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動態(tài)仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(1)：185－189.

［3］林莘，李永祥，徐建源.高壓斷路器有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)兩種定子結(jié)構(gòu)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25(5)：61－68.

［4］劉愛民，林莘.斷路器操動機(jī)構(gòu)用圓筒型直線感應(yīng)電動機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(27)：112－118.

［5］同向前，寧大龍，夏偉.申明串聯(lián)IGBT的一種復(fù)合均壓方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(3)：153－158.

［6］張艷燕，許忠仁，穆克.基于IGBT光伏發(fā)電逆變電路的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012(2)：205－207.