馬 磊

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司直流公司，湖北宜昌 443000）

0 引言

隨著建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的目標(biāo)提出，特高壓電網(wǎng)得到了快速發(fā)展[1]。由此，各類電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也得到了快速發(fā)展[2]。其中，高壓斷路器是其關(guān)鍵設(shè)備之一，其智能化操作是一個(gè)研究重點(diǎn)[3]。

高壓斷路器合閘、分閘的性能與其操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能密切相關(guān)。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)均具有響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)特性差[4,5]。而電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)時(shí)間短、精度高等特點(diǎn)，因此研究電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高壓斷路器的方法十分必要[6]。

電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)儲(chǔ)能電容完成功能，能夠?qū)崟r(shí)采集斷路器的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，完成高壓斷路器的智能化改造[7-9]。

無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高，適用于作為高壓斷路器中的操動(dòng)機(jī)構(gòu)[10-11]。高壓斷路器在分閘過(guò)程與合閘過(guò)程中，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的出力曲線并非恒轉(zhuǎn)矩，因此需分析其在合閘過(guò)程與分閘過(guò)程中的受力情況，以作為無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)的輸入?yún)⒖糩12]。

本文首先分析了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理，獲得了高壓斷路器在合閘與分閘過(guò)程中電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。然后根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析推導(dǎo)了其控制策略。并在Matlab中搭建了仿真模型。

1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)特性

1.1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性

高壓斷路器包括驅(qū)動(dòng)部分、控制部分以及真空斷路器。而驅(qū)動(dòng)部分可采用無(wú)刷直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為四個(gè)過(guò)程：電能供給、能量緩沖、能量釋放與傳輸。以無(wú)刷直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓斷路器的原理如圖1所示。

圖1 高壓斷路器原理

處于合閘狀態(tài)時(shí)，主軸a旋轉(zhuǎn)角度推動(dòng)拐臂逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，連桿在拐臂作用下運(yùn)動(dòng)，絕緣拉桿在連桿作用下運(yùn)動(dòng)。絕緣連桿運(yùn)動(dòng)的位移為S，當(dāng)S=S0時(shí)，動(dòng)、靜觸頭閉合，此時(shí)高壓斷路器工作于閉合狀態(tài)。主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，彈簧開(kāi)始?jí)嚎s，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角度θ達(dá)到θ0時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)結(jié)束，此時(shí)彈簧壓縮量即為接觸行程c。

該高壓斷路器的分閘過(guò)程與合閘過(guò)程相反，不再贅述。

1.2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)反力特性

圖1中，f處為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的各部件質(zhì)量的等效質(zhì)量Mf，此時(shí)，根據(jù)能量守恒定律可知，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的出力F與斷路器負(fù)載反力Fz的關(guān)系可表示為：

式中，v為觸頭速度，v0為初始速度。

斷路器的負(fù)載反力包括兩個(gè)部分：斷路器的反力Fj以及各個(gè)軸銷的摩擦力ML。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

通常情況下，Ml較小，且為高次復(fù)雜函數(shù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文利用損耗來(lái)表示軸銷處摩擦力。此時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為：

式中，η為效率。

圖2給出了高壓斷路器合閘與分閘過(guò)程中，隨著主軸旋轉(zhuǎn)角度變化所需的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的出力。

圖2 高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)作用力

圖2(b)中，在高壓斷路器分閘初期，操動(dòng)機(jī)構(gòu)出力為正，即出力做正功，可作為分閘能量的一部分，另一部分的分閘能量由觸頭彈簧提供。因此，在分閘初期，觸頭分閘加速度較大，觸頭分閘速度快速提高，滿足分閘速度需求。

在分閘后期，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的出力為負(fù)，即出力做負(fù)功。在該負(fù)力的影響下，觸頭的加速度為負(fù)，觸頭的運(yùn)動(dòng)速度變小，做減速運(yùn)動(dòng)。因此當(dāng)分閘結(jié)束時(shí)，觸頭的速度很低，對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊力較小，提高了高壓斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命。

2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制原理

高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、位置傳感器以及位置限位保持裝置構(gòu)成。該位置限位保持裝置能夠確保高壓斷路器在分閘狀態(tài)、合閘狀態(tài)時(shí)，機(jī)構(gòu)能夠保持在固定位置。而位置傳感器可檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置信息。本研究所用位置傳感器采用增量式光電編碼器。

2.1 操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

圖3所示為操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路

圖3中，該無(wú)刷直流電機(jī)的換向可通過(guò)T1至T6的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)，其導(dǎo)通規(guī)律如圖4所示。

圖4 IGBT導(dǎo)通規(guī)律

由圖4 可知，在任意時(shí)刻，都僅有兩只IGBT 導(dǎo)通，且每只IGBT 導(dǎo)通60°。在任意時(shí)刻，均有一只上橋臂IGBT與一只下橋臂IGBT導(dǎo)通。

2.2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

高壓斷路器的分閘與合閘過(guò)程，本質(zhì)上是操動(dòng)機(jī)構(gòu)中無(wú)刷直流電機(jī)的瞬間起動(dòng)與制動(dòng)過(guò)程，具有控制時(shí)間短的特點(diǎn)。因此其數(shù)學(xué)模型十分重要，關(guān)系到控制系統(tǒng)的精確性。

2.2.1 IGBT特性

IGBT 在開(kāi)通狀態(tài)下，存在導(dǎo)通壓降，且該壓降并不是常數(shù)，而是受到集電極電流、工作溫度等因素的影響。而無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)為繞組電阻小、啟動(dòng)電流大，因此IGBT的導(dǎo)通壓降不可忽視。

IGBT的導(dǎo)通壓降可表示為：

式中，Uth、RT以及iT分別為IGBT的開(kāi)啟電壓、等效通態(tài)電阻以及集電極電流。

IGBT的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降可表示為：

式中，UDt、RD、iD分別為二極管開(kāi)啟電壓、等效電阻與電流。

2.2.2 無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

式中，ω為轉(zhuǎn)子角速度。

無(wú)刷電機(jī)在任意時(shí)刻，僅有兩相通電，其兩相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)逆變器串聯(lián)，因此電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中，KT為無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Id為兩相繞組電流。

無(wú)刷電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，f為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.3 操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制策略

本研究采用雙閉環(huán)控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的無(wú)刷電機(jī)，其控制框圖如圖5所示。

圖5 操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制策略

圖中，電流環(huán)控制器的輸入?yún)⒖贾悼杀硎緸椋?/p>

式中，Iref(k)為速度環(huán)的輸出，同時(shí)也是電流環(huán)的參考輸入，KP、KI與KD分別為速度環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)。e(k)為第k次的速度誤差。

無(wú)刷電機(jī)的調(diào)節(jié)過(guò)程是通過(guò)PWM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，PWM 的占空比可通過(guò)DSP 中比較寄存器實(shí)現(xiàn)。其表達(dá)式如下：

式中，COMP(k)為電流環(huán)調(diào)節(jié)器第k次的輸出，e(k)為電流環(huán)第k次輸出誤差，S為積分分離開(kāi)關(guān)，KPi、KIi分別為電流環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

3 結(jié)果分析

為了論證所提采用無(wú)刷電機(jī)作為高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制策略的可行性，搭建了仿真模型，其參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖6所示為無(wú)刷電機(jī)的速度反饋。其中速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用PID 控制器，電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI 控制器。圖6 中，A 表示速度輸入?yún)⒖记€，B 表示速度跟蹤曲線。由圖可知，在0.025 s 之后，無(wú)刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速能夠跟蹤轉(zhuǎn)速參考值。

圖6 無(wú)刷電機(jī)速度波形

4 結(jié)論

提出了采用無(wú)刷電機(jī)作為高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的方法，并給出了控制策略。

分析了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性與驅(qū)動(dòng)電路的等效電路，并根據(jù)無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了無(wú)刷電機(jī)的控制策略。結(jié)果表明，采用無(wú)刷直流電機(jī)作為高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠滿足其合閘、分閘要求，因而具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。