李少華，王 瀟，張一茗，肖 曦，李得祥，張文濤

（1.平高集團(tuán)有限公司，平頂山 467001；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

高壓斷路器HVCB（high-voltage circuit breaker）根據(jù)開斷電流的不同，其動(dòng)觸頭分、合閘過程有著不同的理想運(yùn)動(dòng)特性曲線，根據(jù)此曲線運(yùn)動(dòng)可以大大提升斷路器的分、合閘能力。傳統(tǒng)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用液壓、彈簧等技術(shù)，動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，累計(jì)運(yùn)動(dòng)誤差大，且可控性較差[1-3]。因此，傳統(tǒng)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)僅能實(shí)現(xiàn)分、合閘操作，但是分、合閘過程不可控，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作過程的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制。所以，傳統(tǒng)高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)無法達(dá)到動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性的理想水平。

永磁同步電機(jī)直驅(qū)操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)斷路器實(shí)現(xiàn)分、合閘操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，動(dòng)作可靠性高。在高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)操動(dòng)機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)永磁同步電機(jī)應(yīng)用于高壓斷路器的分、合閘操作的特殊場(chǎng)合，分析了永磁體尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證，提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高壓斷路器電機(jī)伺服控制方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)斷路器分、合閘過程中動(dòng)觸頭位置和速度的實(shí)時(shí)控制，得到理想的分合閘特性曲線。

1 永磁同步電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文研究?jī)?nèi)容的被控對(duì)象是一臺(tái)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備GIS（gas insulated switchgear）用高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)，其單相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。電機(jī)通過法蘭與傳動(dòng)軸連接，通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)斷路器實(shí)現(xiàn)分、合閘操作，電機(jī)與斷路器本體之間為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要包括傳動(dòng)軸、拐臂組件、絕緣拉桿等部件。

圖1 GIS 用高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified structural diagram of direct motor drive mechanism of HVCB used in GIS

1.2 永磁體尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響分析

在已有大扭矩高動(dòng)態(tài)響應(yīng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且在降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出的最大化，以實(shí)現(xiàn)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓斷路器完成快速分、合閘的任務(wù)。增大永磁電機(jī)的扭矩出力，需要優(yōu)化定子外徑、永磁體寬度、氣隙長(zhǎng)度和槽寬等設(shè)計(jì)參數(shù)。

永磁體寬度bm是影響PMSM 轉(zhuǎn)矩性能的重要參數(shù)，決定磁通面積，可根據(jù)磁負(fù)荷來選取，同時(shí)也要考慮轉(zhuǎn)子尺寸的限制。隨著bm的增加，電機(jī)極弧系數(shù)增大，若其他參數(shù)尺寸不變，則磁通面積會(huì)增加，使得電機(jī)氣隙磁密增大。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為

式中：P1為基波電磁轉(zhuǎn)矩；m 為電機(jī)相數(shù)；p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)；E0為空載反電勢(shì)；ω 為電角速度；Xq和Xd為定子繞組的交軸電抗和直軸電抗；E0為電機(jī)反電勢(shì)；U 為母線電壓；θ 為空間矢量角。

磁阻轉(zhuǎn)矩將隨著bm的增大而減小。因bm增大會(huì)使交直軸磁路磁導(dǎo)減小，交直軸電抗差值|Xq-Xd|降低，有可能出現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩下降的影響超過永磁轉(zhuǎn)矩增長(zhǎng)的影響，反而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩最終變小。此外，bm的變化可能導(dǎo)致交軸電抗Xq變化，會(huì)增強(qiáng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩，加重了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩性能的影響。所以，bm不宜過大或過小，在充分利用轉(zhuǎn)子尺寸空間的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡量保證永磁電機(jī)輸出較為平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體寬度估算公式為

式中：σ0為空載漏磁系數(shù)；τ 為極距；Lef為電樞計(jì)算長(zhǎng)度；Bm0為空載永磁體工作點(diǎn)的磁密；Br為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度；Bδ1為氣隙磁密基波幅值；Kφ為氣隙磁通的波形系數(shù)；Lm為永磁體軸向長(zhǎng)度。

需重點(diǎn)明確的是，空載反電動(dòng)勢(shì)E0直接關(guān)系到電機(jī)的多項(xiàng)性能指標(biāo)，例如電磁轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)速、氣隙磁密、功率損耗等。當(dāng)定子電樞繞組開路時(shí)，E0被定義為氣隙磁場(chǎng)中基波磁通切割定子繞組而感應(yīng)生成的電動(dòng)勢(shì)，計(jì)算公式為

式中：f 為頻率；Kdq為繞組系數(shù)；N 為繞組匝數(shù)；Am為永磁體提供的每極磁通截面積；σ0為空載漏磁系數(shù)。

由式（2）和式（3）可知，空載反電勢(shì)的決定性因素都與永磁體寬度有關(guān)，Ansoft 仿真研究進(jìn)一步驗(yàn)證了以上論述，在一定范圍內(nèi)，空載反電勢(shì)隨著永磁體寬度的增加而增大，如圖2 所示。同時(shí)，由式（1）知，在電機(jī)極對(duì)數(shù)、相數(shù)等參數(shù)確定后，E0/Xd成為影響電磁轉(zhuǎn)矩中永磁轉(zhuǎn)矩的重要因素，E0越大Xd越小，則永磁轉(zhuǎn)矩越大。因此，需要通過改變永磁體寬度，增大空載反電動(dòng)勢(shì)，改變電機(jī)交、直軸電抗及E0/Xd，在滿足機(jī)械硬度的前提下，增大電機(jī)輸出的峰值轉(zhuǎn)矩。輸出峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨永磁體寬度變化的曲線分別如圖3 和圖4 所示。

圖2 空載反電勢(shì)隨永磁體寬度變化的曲線Fig.2 Curve of no-load back potential versus permanent magnet width

圖3 輸出峰值轉(zhuǎn)矩隨永磁體寬度變化的曲線Fig.3 Curve of output peak torque versus permanent magnet width

圖4 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨永磁體寬度變化的曲線Fig.4 Curve of torque pulsation versus permanent magnet width

由圖2～圖4 可知，當(dāng)保持其他參數(shù)不變時(shí)，增大永磁體寬度bm，會(huì)增加電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而影響E0/Xd，促進(jìn)電機(jī)輸出的永磁轉(zhuǎn)矩部分增大。但未考慮到bm的增大可能導(dǎo)致交軸電感Xq變化，促使齒槽轉(zhuǎn)矩增大，從而加重轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，甚至可能會(huì)減小輸出磁阻轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩。因此，折中考慮，選取永磁體寬度bm=13 mm 為優(yōu)化后參數(shù)，此時(shí)電機(jī)輸出的平均峰值轉(zhuǎn)矩較大，空載反電勢(shì)較高，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為合理。

1.3 電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能仿真

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)性能與設(shè)計(jì)目標(biāo)密切相關(guān)，需要詳細(xì)分析后才能采取適宜的控制策略和輸入電流指標(biāo)。通過Ansoft 軟件對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行仿真，具體結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩平面內(nèi)效率分布Fig.5 Distribution of in-plane efficiency of torque

圖6 輸出轉(zhuǎn)矩與相電流關(guān)系Fig.6 Relationship between output torque and phase current

由圖5 可知，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩越低、轉(zhuǎn)速越高時(shí)，電機(jī)效率越高。由圖6 可知，當(dāng)定子繞組輸入電流越高、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越高。由此說明當(dāng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓斷路器分合閘操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)使電機(jī)的定子繞組輸入最大峰值電流，盡量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速不要進(jìn)入弱磁區(qū)，此時(shí)電機(jī)輸出的峰值轉(zhuǎn)矩和功率能實(shí)現(xiàn)最大化。

1.4 伺服控制系統(tǒng)

本文所提出的伺服控制器設(shè)計(jì)方案選用數(shù)字信號(hào)處理DSP（digital signal processing）和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（complex programable logic device）共同作為控制模塊核心來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。方案中存在多個(gè)需要通過通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的外設(shè)，DSP 芯片的接口資源不能夠滿足實(shí)際需求。而CPLD 具有接口資源豐富、能夠并行運(yùn)算以及邏輯處理能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此，可以利用CPLD 編程實(shí)現(xiàn)與外圍芯片及擴(kuò)展接口的快速數(shù)據(jù)交互及處理[4-5]。最后，CPLD通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸至DSP。這種雙核心的方案不僅可以充分發(fā)揮不同類型芯片的優(yōu)勢(shì)，也能夠大大提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

在高壓斷路器動(dòng)作過程中對(duì)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，能夠?qū)嗦菲鬟\(yùn)行狀況進(jìn)行觀測(cè)、評(píng)估和分析提供依據(jù)。當(dāng)前，高壓斷路器伺服控制器動(dòng)作數(shù)據(jù)錄波暫無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可借鑒電力系統(tǒng)中的故障錄波標(biāo)準(zhǔn)，在RAM 中設(shè)置緩存區(qū)，實(shí)時(shí)緩存100 個(gè)控制周期的數(shù)據(jù)，當(dāng)分、合閘動(dòng)作發(fā)生時(shí)，將從緩存區(qū)依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至RAM 相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，直至動(dòng)作結(jié)束。方案設(shè)計(jì)在斷路器進(jìn)行分、合閘過程中，每個(gè)控制周期（0.1 ms）存儲(chǔ)16 組數(shù)據(jù)，且掉電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。因此，選擇非易失性鐵電存儲(chǔ)器作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器兼具FLASH 的掉電數(shù)據(jù)不丟失優(yōu)點(diǎn)和RAM 的快速讀寫優(yōu)勢(shì)，且訪問方式多樣，適用于大量數(shù)據(jù)頻繁快速讀寫需求[6-7]。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖7 所示?？刂葡到y(tǒng)還包括功率變換模塊、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊、電壓及電流采樣模塊以及通信模塊等，其中：功率變換模塊根據(jù)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電能變換，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的位置跟隨；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊為系統(tǒng)提供電機(jī)及斷路器位置信息；電壓及電流采樣模塊將控制系統(tǒng)所需要的必要信息進(jìn)行采集，并反饋給控制模塊；通信模塊負(fù)責(zé)控制器與上位機(jī)的通信。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.7 Schematic of control system structure

2 伺服控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)位置檢測(cè)電路

高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)操動(dòng)機(jī)構(gòu)伺服控制器對(duì)于電機(jī)位置檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高，而旋轉(zhuǎn)變壓器是一種能輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置成某種函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)交流微特電機(jī)，可以用來精確測(cè)量轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。為保證系統(tǒng)控制精度，提高電機(jī)控制性能，選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置且直接集成在電機(jī)轉(zhuǎn)軸尾端。該方案可以大大提升位置檢測(cè)精度，并且可以減少因位置檢測(cè)裝置安裝誤差導(dǎo)致的系統(tǒng)運(yùn)行故障[8-9]。

旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬信號(hào)需要經(jīng)過專用芯片進(jìn)行解碼才能得到相應(yīng)的數(shù)字輸出，以供控制器使用?，F(xiàn)有的相關(guān)產(chǎn)品不僅可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與轉(zhuǎn)換芯片的直接相連接，同時(shí)還提供了故障信號(hào)反饋以及豐富的通信接口類型。圖8 為本文所提方案旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路，采用SPI 方式與CPLD 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路Fig.8 Resolver decoding circuit

2.2 電流檢測(cè)電路

DSP 芯片配置的ADC 模塊具有轉(zhuǎn)換效率快、配置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但僅能實(shí)現(xiàn)雙通道的同步采樣，而伺服控制系統(tǒng)的電流、電壓采樣為多輸入、電平快速變化的情況，對(duì)于采樣同步性的要求較高。AD7606 芯片可以進(jìn)行多路同步采樣，根據(jù)需求可以選擇不同的采樣通道數(shù)量，轉(zhuǎn)換效率更高，實(shí)時(shí)性更好，可以有效避免因采樣不同步導(dǎo)致的控制精度下降[10]。

圖9 為AD7606 電路設(shè)計(jì)采樣電路，采用并行通信的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。電流信號(hào)經(jīng)霍爾傳感器和調(diào)理電路傳入采樣芯片輸入端，再經(jīng)通信接口傳輸至控制芯片。電流信號(hào)經(jīng)空間坐標(biāo)變換后，由MTPA 算法計(jì)算得到給定電壓，并與速度環(huán)和位置環(huán)形成三閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(dòng)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。

圖9 采樣電路Fig.9 Sampling circuit

2.3 通信電路

本文所提方案中除有作為控制核心的DSP 和CPLD 外，還設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)控制變量的ROM、存儲(chǔ)動(dòng)作過程數(shù)據(jù)的RAM、采樣芯片以及旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片，各芯片之間的通信方式如圖10 所示。

圖10 各芯片間通信方式Fig.10 Mode of communication between chips

RAM 和CPLD 均通過總線連接至DSP 的Xintf外部接口擴(kuò)展區(qū)域，CPLD 使用擴(kuò)展區(qū)域0，RAM使用擴(kuò)展區(qū)域7。ROM 通過SPI 連接至DSP，采樣芯片采用并行通信的方式連接至CPLD，而旋轉(zhuǎn)變壓解碼芯片則通過串行外設(shè)接口SPI（serial peripheral interface）連接至CPLD。CPLD 作為主要的通信樞紐，需要根據(jù)不同的連接方式編寫相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，保證通信的快速與準(zhǔn)確[11]。

3 伺服控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

根據(jù)伺服控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)軟件程序，程序流程如圖11 所示。

圖11 程序流程Fig.11 Flow chart of program

主程序在完成初始化后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，然后進(jìn)入主中斷，持續(xù)查詢控制指令。當(dāng)接收到控制指令，DSP 從CPLD 讀取位置、速度、電壓、電流、狀態(tài)等信息，并根據(jù)給定動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)曲線結(jié)合永磁同步電機(jī)MTPA 控制策略對(duì)輸出空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 波進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)由功率模塊驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)控制，直至實(shí)現(xiàn)分合閘操作。當(dāng)斷路器完成分合閘操作后，會(huì)進(jìn)行狀態(tài)鎖存，防止外接擾動(dòng)導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)作。

3.2 采樣系統(tǒng)

系統(tǒng)采樣主要包括電機(jī)位置采樣以及電壓、電流采樣兩個(gè)方面，二者分別通過專用芯片進(jìn)行采樣，且采樣芯片均與CPLD 相連，通過CPLD 編程實(shí)現(xiàn)讀寫操作。

對(duì)采樣芯片的操作，除初始化過程中的寄存器配置外，均為數(shù)據(jù)讀寫，若每個(gè)控制周期由DSP 來進(jìn)行讀寫控制，會(huì)延長(zhǎng)數(shù)據(jù)讀寫周期，降低系統(tǒng)控制精度。因此，在CPLD 中設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的周期性讀寫，并存儲(chǔ)在特定的寄存器中，DSP可以在控制過程中快速對(duì)該寄存器進(jìn)行操作，避免了采樣等待，且采樣實(shí)時(shí)性更高[12]。本方案存在2個(gè)采樣芯片，且彼此的操作邏輯存在差異，故需要設(shè)計(jì)2 個(gè)狀態(tài)機(jī)，圖12 為CPLD 對(duì)電壓、電流采樣芯片數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)機(jī)，圖13 為CPLD 對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)機(jī)。

圖12 采樣芯片數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)機(jī)Fig.12 Sampling chip data read and write state machine

圖13 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)機(jī)Fig.13 Resolver decoding chip data read and write state machine

3.3 通信系統(tǒng)

為適應(yīng)智能化電力設(shè)備發(fā)展需要，設(shè)計(jì)必要的通信接口，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)之間的信息交互。通信方式采用MODBUS 通信協(xié)議，以功能碼來實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的讀寫操作，數(shù)據(jù)類型主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、動(dòng)作數(shù)據(jù)以及充電數(shù)據(jù)。為避免通信中發(fā)生丟幀造成數(shù)據(jù)異常，需增加CRC 校驗(yàn)，DSP 中未做此相關(guān)集成，故需要根據(jù)實(shí)際的校驗(yàn)規(guī)則自主編寫相關(guān)校驗(yàn)程序。通信報(bào)文格式如表1 所示。

表1 通信報(bào)文格式Tab.1 Format of communication message

4 調(diào)試與檢測(cè)

伺服控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)控制系統(tǒng)與高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，測(cè)試樣機(jī)如圖14 所示。

圖14 測(cè)試樣機(jī)Fig.14 Prototype

系統(tǒng)上電后，控制系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，然后控制整流器給儲(chǔ)能電容充電至設(shè)定閾值，等待分、合閘指令。通過控制面板下發(fā)分、合閘指令，觀察斷路器的狀態(tài)。待分、合閘操作完成后，通過上位機(jī)查看錄波數(shù)據(jù)，分、合閘動(dòng)作數(shù)據(jù)如圖15～圖18 所示。

圖15 分閘動(dòng)作及指令Fig.15 Opening action and command

圖16 分閘特性曲線Fig.16 Opening characteristic curve

圖17 合閘動(dòng)作及指令Fig.17 Closing action and command

圖18 合閘特性曲線Fig.18 Closing characteristic curve

分、合閘過程動(dòng)觸頭的直線運(yùn)動(dòng)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)π rad，恰好對(duì)應(yīng)為動(dòng)觸頭的行程。分、合閘操作均可在接收到指令后開始執(zhí)行，且位置跟隨性能良好，相電流最大值均出現(xiàn)在剛分點(diǎn)、剛合點(diǎn)附近，符合斷路器結(jié)構(gòu)的負(fù)載特性。經(jīng)測(cè)試，斷路器分閘速度為3.74 m/s，合閘速度為2.02 m/s，滿足技術(shù)條件要求。

斷路器還存在重合閘的動(dòng)作類型，對(duì)于伺服控制器的性能要求更高。通過機(jī)械特性測(cè)試儀對(duì)斷路器下發(fā)重合閘指令，采集數(shù)據(jù)并分析特性曲線，結(jié)果如圖19 和圖20 所示。

圖19 重合閘動(dòng)作及指令Fig.19 Reclosing action and command

圖20 重合閘特性曲線Fig.20 Reclosing characteristic curve

分、合閘過程中，動(dòng)觸頭總運(yùn)動(dòng)行程為80 mm，從重合閘動(dòng)作中的合分過程可以看出，伺服控制器在合閘過程末端及時(shí)響應(yīng)分閘指令，證實(shí)了本文所提方案能夠在電網(wǎng)故障時(shí)及時(shí)根據(jù)上層指令做出指定動(dòng)作，對(duì)電網(wǎng)起到有效的保護(hù)作用。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得出，本文所設(shè)計(jì)的高壓斷路器伺服控制器方案，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)直驅(qū)高壓斷路器分、合閘的實(shí)時(shí)高效控制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，滿足智能電網(wǎng)的建設(shè)需求。

5 結(jié)語

隨著國家智能電網(wǎng)及智能高壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展，針對(duì)高壓斷路器電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)研究的需求，本文在分析優(yōu)化永磁體尺寸對(duì)電機(jī)性能影響的基礎(chǔ)上，提出了一種高壓斷路器伺服控制器方案。該方案通過雙控制芯片及多外圍芯片的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的控制、存儲(chǔ)及通信等功能。對(duì)本文所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)與高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，測(cè)試結(jié)果證實(shí)，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器分、合閘過程的精準(zhǔn)控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，進(jìn)一步提高高壓開關(guān)設(shè)備的智能化水平。