柏長(zhǎng)宇，錢(qián)凱，韓國(guó)輝，張國(guó)躍，王正奇，董華軍，

(1.平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467001；2.大連交通大學(xué) 機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)性能起決定性作用.傳統(tǒng)的SF6高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu).這幾種操動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然可以輸出足夠的操作功,滿(mǎn)足動(dòng)作快速性要求，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)械零部件多，不能實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘的過(guò)程控制等缺點(diǎn)[1-4]；為了克服傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的局限性，國(guó)內(nèi)外都展開(kāi)了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)高壓斷路器的研制和開(kāi)發(fā)[5].隨著伺服電機(jī)，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(jī)構(gòu)斷路器，根據(jù)斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)電機(jī)電流，位置信號(hào)的采集，運(yùn)用SVPWM電壓矢量控制算法，產(chǎn)生控制IGBT三相逆變開(kāi)關(guān)所需的PWM信號(hào)，使用伺服電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作；此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，且易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)[6-7]，同時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)模型

圖1為電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器簡(jiǎn)圖，其中，儲(chǔ)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(yùn)用全控型大功率開(kāi)關(guān)管IGBT，完成DSP提供的脈寬調(diào)制波，實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻速度的控制；充電單元：儲(chǔ)能電容所需的直流電能，都由充電單元所提供，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shí)，對(duì)變電站電源系統(tǒng)的振蕩；同時(shí)，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(jī)M：伺服電機(jī)是高壓斷路器正常運(yùn)行的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足高壓斷路器分合閘時(shí)間及操作功，伺服電機(jī)必須借鑒當(dāng)今先進(jìn)的永磁材料及旋變控制器，特制一款滿(mǎn)足高壓斷路器特性的伺服電機(jī)，使其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度不超過(guò)180°；DSP+CPLD驅(qū)動(dòng)器：借鑒當(dāng)今先進(jìn)的TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過(guò)對(duì)電流，電機(jī)位置信號(hào)的采集和處理，對(duì)伺服電機(jī)M進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.斷路器的各種連鎖控制通過(guò)CPLD可編程控制器得到解決；當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制器受到分合閘命令信號(hào)時(shí)，依據(jù)上述各種控制信息，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)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(dòng)器信息的監(jiān)控與傳遞及分合閘命令的操作.實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器分合閘實(shí)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(gè)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(yùn)行提供初始信息;

(2)系統(tǒng)的巡檢：采集伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，內(nèi)部轉(zhuǎn)子(永磁體)的角度，直流驅(qū)動(dòng)電壓，包括斷路器動(dòng)觸頭的位置等等各種信息，實(shí)現(xiàn)斷路器的檢測(cè)功能；同時(shí)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(shuō)的定時(shí)中斷子程序，此過(guò)程是斷路器電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)程序運(yùn)行的重要部分，通過(guò)對(duì)電機(jī)電流的采樣，位置的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電流的矢量控制，運(yùn)用當(dāng)今先進(jìn)的SVPWM脈寬調(diào)控技術(shù)，對(duì)電機(jī)速度和電流的PI調(diào)節(jié)，輸出PWM脈寬調(diào)制波，實(shí)現(xiàn)斷路器的數(shù)字控制[8].

2 高壓斷路器電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)字控制

2.1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)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(guò)程序的控制，轉(zhuǎn)換為電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘.

高壓斷路器正常分合閘，必須滿(mǎn)足斷路器動(dòng)觸頭的分合閘速度，及動(dòng)作所需操作功的要求，電機(jī)的提速及操作功是首當(dāng)其沖的關(guān)鍵技術(shù)，電機(jī)的速度由電源的頻率決定，SVPWM技術(shù)，通過(guò)電機(jī)磁鏈和電壓的關(guān)系，用8個(gè)基本電壓矢量合成期望的輸出電壓矢量，通過(guò)直流電壓的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)的變頻調(diào)速，此技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足了斷路器分合閘要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)字控制.

SVPWM實(shí)現(xiàn)三相交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速，由傳統(tǒng)的三相交流電機(jī)動(dòng)作原理可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)間隙得到一組幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)永磁體作切割磁力線(xiàn)而轉(zhuǎn)動(dòng).利用上述三相交流電壓驅(qū)動(dòng)所需的伺服電機(jī)，獲得圓形磁鏈軌跡這一理論；以斷路器動(dòng)觸頭技術(shù)參數(shù)運(yùn)動(dòng)特性，帶動(dòng)伺服電機(jī)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(gè)功率開(kāi)關(guān)的不同開(kāi)關(guān)模式[9]所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)園；并由二者比較結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而去控制IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，得到SVPWM所需的調(diào)制波，滿(mǎn)足伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)速度頻率的要求，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘，如圖3伺服電機(jī)逆變控制器,此過(guò)程由DSP數(shù)字控制器信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)處理，程序計(jì)算而完成.

2.2 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器DSP數(shù)字控制系統(tǒng)

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

首先將斷路器動(dòng)觸頭動(dòng)作行程轉(zhuǎn)化成伺服電機(jī)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(jī)主軸的角速度曲線(xiàn)ωref.

然后，將Qref及ωref作為參考值，與伺服電機(jī)主軸轉(zhuǎn)角Q及角速度ω的反饋值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)整電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速；通過(guò)PI轉(zhuǎn)差頻率矢量控制得到電機(jī)定子線(xiàn)圈電流iqref.

最后，電機(jī)的三相電流ia,ib,ic，通過(guò)Clarke和Park變換，得到的id與iq反饋給PI控制器，運(yùn)用idref=0的控制方法，通過(guò)PI調(diào)節(jié)，Park的反變換，運(yùn)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(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速，滿(mǎn)足斷路器機(jī)械特性的速度要求.

idref=0的控制方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電樞磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的正交，可使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，通過(guò)控制q軸電流就可以控制電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩,磁場(chǎng)的定向控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，可得到類(lèi)似于直流電機(jī)的良好控制性能[11].

綜上：斷路器分合閘控制過(guò)程，實(shí)際將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為電機(jī)位置的控制過(guò)程.

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)字控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，結(jié)合斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)行特點(diǎn)，在滿(mǎn)足斷路器技術(shù)特性的要求情況下，繪制出斷路器動(dòng)觸頭單位時(shí)間里的行程曲線(xiàn)，此行程曲線(xiàn)將斷路器動(dòng)觸頭行程位移轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)主軸轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)；然后，通過(guò)伺服電機(jī)的雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘要求.

圖5為110 kV的SF6斷路器(電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，通過(guò)動(dòng)觸頭行程軌跡，推導(dǎo)出動(dòng)觸頭與電機(jī)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(jì)，驗(yàn)證斷路器分合閘技術(shù)要求：

圖5 SF6 斷路器(電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))結(jié)構(gòu)圖

(a)合閘運(yùn)動(dòng)軌跡 (b)中間 (c)分閘運(yùn)動(dòng)軌跡

通過(guò)圖6：將SF6斷路器動(dòng)觸頭行程XL轉(zhuǎn)換成電機(jī)主軸的角度；由圖(a)合閘運(yùn)動(dòng)軌跡知

(1)

(2)

即

(3)

(4)

由式(4)可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的拐臂尺寸L1，絕緣拉桿尺寸L2，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，將斷路器動(dòng)觸頭行程XL轉(zhuǎn)換成電機(jī)主軸轉(zhuǎn)角Q1；分閘過(guò)程圖(b)與合閘過(guò)程原理一樣，具體計(jì)算推導(dǎo)不再席敘.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：依據(jù)表2產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，通過(guò)式(4)，將動(dòng)觸頭行程轉(zhuǎn)換電機(jī)主軸轉(zhuǎn)角；依據(jù)速度要求，定義動(dòng)觸頭行程路線(xiàn)；通過(guò)計(jì)算，繪出電機(jī)主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡圖.

表2 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

計(jì)算得：分閘曲線(xiàn)：斷路器觸頭行程26 mm處對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角1.12 rad；中間的30 mm對(duì)應(yīng)的角度為1rad；最后的29 mm對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角為1.02 rad.為了滿(mǎn)足斷路器分閘速度要求：即剛分點(diǎn)至分后10 ms的平均速度為3.8 m/s，因此將電動(dòng)機(jī)分閘運(yùn)行行程設(shè)定為：從0～1.12 rad為勻加速，達(dá)到3.8 m/s速度要求，然后勻速運(yùn)行10 ms，最后勻減速運(yùn)行至3.14 rad處；通過(guò)以上技術(shù)要求繪出單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)圖；如圖7所示(注：電機(jī)主軸轉(zhuǎn)角為半圓)；圖8所示合閘曲線(xiàn)與上述原理雷同.

圖7 分閘：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)

圖8 合閘：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以各自單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)圖為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘；通過(guò)試驗(yàn)，得到圖9.圖10斷路器合分閘曲線(xiàn)示波圖；其中線(xiàn)條(Open Curve3)為單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度曲線(xiàn)，其余5條為實(shí)際操作5次所得分合閘操作曲線(xiàn).

圖9 斷路器合閘實(shí)驗(yàn)示波圖

圖10 斷路器分閘實(shí)驗(yàn)示波圖

由示波圖可知：斷路器動(dòng)觸頭依據(jù)分合閘行程軌跡轉(zhuǎn)換成主軸轉(zhuǎn)角運(yùn)行軌跡(單位時(shí)間內(nèi))作為給定曲線(xiàn)，分別以各自的位置曲線(xiàn)為依據(jù)進(jìn)行分合閘，通過(guò)試驗(yàn)分析，在滿(mǎn)足上述技術(shù)參數(shù)情況下，發(fā)現(xiàn)二者測(cè)試曲線(xiàn)與給定曲線(xiàn)有很好的跟蹤特性，且動(dòng)觸頭行程在伺服電機(jī)數(shù)字控制下得到可靠的控制.

4 結(jié)論

(1)斷路器運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)施斷路器分合閘，充分證明，用預(yù)現(xiàn)給定動(dòng)觸頭行程曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)斷路器的操作，實(shí)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(jì)時(shí)，必須滿(mǎn)足超行程與加速度，時(shí)間的相互匹配.同時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸頭的重量，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)曲線(xiàn)跟蹤有一定影響，且電機(jī)的儲(chǔ)能電容，電機(jī)操作功是產(chǎn)品正常運(yùn)行的可靠保證.