CN100468599C - 高压断路器直线电机操动机构 - Google Patents

Abstract

一种高压断路器直线电机操动机构，属于输变电设备技术领域。其结构包括有直线电机及伺服控制器，直线电机的次级和高压断路器的动触头通过绝缘拉杆连接，直线电机通过其上的电枢绕组以及位置和速度传感器与伺服控制器连接。本发明的优点：机构质量小，运动惯量小，动能大大减小，能量损耗减小，使得大部分能量都用到了断路器动触头动能上，提高了能量的使用效率。并具有如下特点：体积小，重量轻；结构简单，高可靠；高效率，低能耗；快速响应和高精度；运动过程可控。

Description

高压断路器直线电机操动机构

技术领域

本发明属于输变电设备技术领域，特别涉及一种高压断路器直线电机操动机构，适用于断路器的智能化操作。

技术背景

高压断路器在电网中起控制和保护作用，是输变电领域的一种重要设备，它不但要保证断路器长期的动作可靠性，而且要满足灭弧特性对操作机构的要求。为此要求断路器有良好的操作性能。现今所使用的断路器操作机构是采用弹簧、液压或气动技术，都是传统的机械式设计，主要由连杆，锁扣，以及能量供应系统等几部分组成，环节多，累计运动公差大且响应缓慢，可控性差，效率低。响应时间一般要几十个毫秒。另外这些操动机构的动作分散性也较大。结构比较复杂，零件数量多，加工要求高。运动过程不可控，效率低，特性不稳定，长期运行不可靠等。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种用于高压断路器的直线电机操动机构。它是取消传统操动机构的机械驱动部分，采用一台电子式控制的直线伺服电机直接驱动断路器的操动杆，直线电机基于微计算机控制、电力电子驱动，采用带位置速度检测的闭环自适应控制。实现其动触头移动，位置、速度可控可调，精确的控制断路器的运动过程，实现良好的分合闸特性。

本发明包括有直线电机及伺服控制器，直线电机的次级和高压断路器的动触头通过绝缘拉杆连接，直线电机通过其上的电枢绕组以及位置和速度传感器与伺服控制器连接。

其直线电机包括初级铁心、次级铁心、永磁体、位置和速度传感器，沿径向由内到外依次分布为：次级铁心、电枢绕组、初级铁心、壳体，初级铁心由硅钢片叠压而成若干个槽形结构，在相对次级铁心侧的槽中置有电枢绕组，次级铁心上依次嵌放有极性相反的永磁体，永磁体构成电机的磁极，相邻两磁级之间置有非导磁材料，电枢绕组在槽中按整距波绕组的方式排列；位置传感器安装在电机初级上，速度传感器装在电机的次级上。位置传感器为霍尔元件，速度传感器为直线光栅。

本发明中的伺服控制器包括电源单元、储能单元、输入输出单元、控制单元及驱动单元，电源单元为电源或者蓄电池，分别连接控制单元和储能单元，电容器作为断路器动作的储能单元，通过电源充电；输入输出单元包括键盘、显示器以及通讯接口，连接控制单元，实现分合闸命令的输入和电机状态的输出，显示以及与计算机等设备的通讯；控制单元主要由微处理器构成，分别连接输入输出单元和驱动单元，电机上的位置和速度传感器分别与控制单元连接，将电机的位置以及速度信号传给控制单元，控制驱动单元向电机提供能量；驱动单元由IGBT组成的智能功率模块及IPM驱动模块IR2130组成，分别与控制单元、储能单元和电机相连。

本发明中伺服控制器的控制过程，按以下步骤执行：

1.初始化；

2.判断断路器处于分/合位置；

3.等待分/合命令；

4.调用分/合闸中断服务过程；

5.分/合闸过程结束；

6.保存分/合闸过程；

7.结束返回等待分/合闸命令。

上述步骤4中分/合闸服务中断子过程，按以下步骤执行：

1.磁极位置判断：

检测位置传感器信号，并确定是否换向，需要换向，则进入换向服务过程，不需要，则继续往下执行；

2.读取速度；

3.比较速度；

4.调节速度；

5.读取电流；

6.调节电流；

7.确定PWM占空比；

8.更新PWM寄存器；

9.判断是否结束；

10.返回。

上述分/合闸服务中断服务过程中步骤1判断磁极位置中的换向服务过程，按以下步骤执行：

1.保护现场；

2.读取换向控制字；

3.查找开关管工作状态；

4.换向；

5.恢复现场退出。

本发明的直线电机通过伺服控制器控制，分合闸命令通过输入输出的接口单元传给控制器，控制器根据得到的命令发送控制指令以控制驱动单元，驱动单元由智能功率模块(简称IPM)构成及IPM驱动模块IR2130组成，IPM集功率变换、驱动及保护电路于一体。通过驱动单元将由储能电容器储存的能量转换成电机需要的能量并输送给电机来驱动断路器动作。同时电机上的位置传感器将检测到的信号传给控制单元，控制单元将得到的位置信号同预先存储的断路器预设的速度曲线相对比，并发送更进一步的控制命令，电机的出力和速度可连续调节，以保持尽可能小的偏差。整个运动过程通过预设程序精确控制。

本发明取代传统的由一整套复杂的机械驱动的操动机构，使其只有一个运动部件，大量减少了机械传动链，结构简单可靠。伺服控制的使用可以取消传统的缓冲装置，缓冲由电机的反向力提供，而且可以将剩余的能量返回给储能单元。控制规律由程序来实现，直线电机提供往复运动以驱动断路器的分合闸，通过检测断路器的运动状态，能够自动调节输出能量的大小。直线电机操动机构的电子操动系统依赖电力电子器件控制动力源，保证执行指令的时间精度可以达到微秒级，即机构的响应时间可控能在所希望的相位上动作，所以非常适用于开关的同步关合，基于微处理器的直线电机伺服控制系统，可以通过程序实现各种运动控制策略，对动触头的运动过程进行优化控制，以利于断路器熄弧，减小操作过电压，减小涌流提高断路器开断能力，提供平滑的运动，以减小结构件的冲击应力，保证断路器可靠运行，便于实现开关的智能化。本发明机构质量小，运动惯量小，动能大大减小，能量损耗减小，使得大部分能量都用到了断路器动触头动能上，提高了能量的使用效率。并具有如下特点：体积小，重量轻；结构简单，高可靠；高效率，低能耗；快速响应和高精度；运动过程可控。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中直线电机的结构示意图，

图3是本发明的伺服控制器框图，

图4是本发明直线电机的电气控制原理图，

图5是本发明伺服控制器的控制流程图，

图6是图5中分/合闸服务过程流程图，

图7是图5中换向服务过程流程图，

图8是实施例中的预设速度曲线；

图中1.初级铁心，2.非磁性材料，3.电枢绕组，4.次级铁心，5.永磁体，6.静触头，7.动触头，8.压气缸，9.绝缘拉杆，10.电机初级，11.电机次级，12.槽，13.壳体，14.显示器，15.通讯接口，16.直线光栅尺，17.霍尔位置传感器，18.直线电机，19.电流传感器，20电源，C为储能电容，K1为分闸按钮，K2为合闸按钮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

实施例：如图1所示，本发明包括有直线电机及伺服控制器，直线电机的次级11和高压断路器的动触头7通过绝缘拉杆9连接，直线电机18通过其上的电枢绕组3以及位置和速度传感器与伺服控制器连接。

直线电机结构如图2所示，包括初级铁心1、次级铁心4、永磁体5、位置和速度传感器，沿径向由内到外依次分布为：次级铁心4、电枢绕组3、初级铁心1、壳体13，初级铁心1由硅钢片叠压而成若干个槽形结构，在相对次级铁心4侧的槽12中置有电枢绕组3，次级铁心4上依次嵌放有极性相反的永磁体5，永磁体5构成电机的磁极，沿轴向相邻两磁极之间置有非导磁材料2，电枢绕组3在槽12中按整距波绕组的方式排列；位置传感器装在初级上，速度传感器装在电机的次级上。在电枢绕组3中通入电流，电流在永磁体产生的磁场中受到安培力的作用推动电机次级11运动，不同磁极下的绕组通入方向相反的电流，使得同一时刻所产生的推力最大。

本发明中的伺服控制器，如图3、图4所示，包括电源单元、储能单元、输入输出单元、控制单元及驱动单元，电源单元为电源或者蓄电池，其分别连接控制单元和储能单元，为控制器供电以及为储能单元输送能量；电容器作为断路器动作的储能单元，通过电源充电，通过驱动单元将能量输送给电机；输入输出单元包括键盘、显示器以及通讯接口，连接控制单元，实现分合闸命令的输入和电机状态的输出，显示以及与计算机等设备的通讯；控制单元主要由微处理器构成，驱动单元由智能功率模块及IPM驱动模块IR2130组成，智能功率模块由六个IGBT组成的全桥驱动电路构成，驱动单元分别与控制单元、储能单元和电机相连；电流传感器安装在IPM与储能电容相连的导线上，监测电流的大小；本例中的控制单元采用TMS320×2407型号的芯片，分别连接输入输出单元、驱动单元以及电机和电流传感器，接收电机和电流传感器的反馈信号，控制芯片的IOPB4和IOPB5与键盘相连，接收分合闸命令；IOPE1-IOPE6与显示器相连，将断路器的状态输出到显示器；IOPA0和IOPA1和通讯接口相连，实现与外部设备的通讯；PWM1-PWM6口分别与IR2130的HIN1和LIN1、HIN2和LIN2、HIN3和LIN3相连并通过IR2130的H01和L01、H02和L02、H03和L03，分别与六个IGBT电路连接，控制IPM的六个晶体管IGBT1-IGBT6的通断，PWM1-PWM6同一时刻只有两个导通，控制IGBT1-IGBT6每时刻只有两个导通，向电机输送能量；CAP1、CAP2、CAP3与电机上的霍尔位置传感器相连，接收电机的位置反馈信号，根据位置状态的不同，确定PWM1-PWM6中同一时刻导通的两个接口，实现电枢绕组中电流的换相；QEP3、QEP4、CAP6接收电机速度传感器的信号，与图8所示的预设速度曲线相比较，调节电机的运行速度；VIN0口与电流传感器相连，接收电流的反馈信号实现电流的监测；电机上装有霍尔位置传感器和直线光栅，将电机的位置以及速度信号传给控制单元。

本发明中伺服控制器的控制过程，如图5所示，按以下步骤执行：

1.初始化；

2.判断断路器处于分/合位置；

3.等待分/合命令；

4.调用分/合闸中断服务过程；

5.分/合闸过程结束；

6.保存分/合闸过程；

7.结束返回等待分/合闸命令。

上述步骤4分/合闸服务中断服务过程，如图6所示，按以下步骤执行：

1.判断磁极位置；

检测位置传感器信号，确定导通的开关管，并判断位置传感器信号是否有变化，如果位置传感器信号从一种状态变到另一种状态，则申请中断，进入换向中断服务过程；

2.如果位置传感器信号状态不变，则读取速度；

读取预设速度曲线给定的速度值v*以及速度传感器反馈回来的电机实际速度值v；

3.比较速度；

将速度传感器测得的实际速度与给定的速度值相比较，将其差值作为速度调节的给定误差，Δv＝v*-v；

4.调节速度；

由给定的速度误差确定电流的误差值Δi＝K_iΔv，K_i—电流调节系数；

5.读取电流；

读取电流传感器反馈回来的电流值i；

6.调节电流；

将电流传感器测得的实际电流值与电流误差值相加，确定电流调节的给定值，i*＝Δi+i；

7.确定PWM占空比；

PWM占空比α_k从0-1，对应i*从0-I_max，根据给定电流的大小确定PWM占空比 ${\mathrm{\α}}_k=\frac{i*}{I_{\max }};$

8.更新PWM寄存器；

9.判断是否结束；

10.返回。

上述分/合闸服务中断服务过程中步骤1判断磁极位置中的换向中断服务过程，如图7所示，按以下步骤执行：

1.保护现场；

2.读取换向控制字；

位置传感器发出三个信号a、b、c，每个信号有0、1两个值，合闸过程中，同一时刻有两个是1，一个是0，分闸过程中同一时刻有两个是0，一个是1。因此，共有110、101、011、100、010、001六个换向时刻。对应六组开关管工作状态，每组有两个开关管导通。

3.查找开关管工作状态；

4.换向；

5.恢复现场退出。

Claims (4)

1、一种高压断路器直线电机操动机构，其特征在于包括有直线电机及伺服控制器，直线电机的次级和高压断路器的动触头通过绝缘拉杆连接，直线电机通过其上的电枢绕组以及位置和速度传感器与伺服控制器连接，所述的伺服控制器包括电源单元、储能单元、输入输出单元、控制单元及驱动单元，电源单元为电源或者蓄电池，分别连接控制单元和储能单元；储能单元由电容器构成；输入输出单元包括键盘、显示器以及通讯接口，所述的输入输出单元连接控制单元；控制单元由微处理器构成，分别连接输入输出单元和驱动单元，电机上的位置和速度传感器分别与控制单元连接；驱动单元由IGBT组成的智能功率模块及IPM驱动模块I R 2 1 3 0组成，所述的驱动单元分别与控制单元、储能单元和电机相连。

2、根据权利要求1所述的一种高压断路器直线电机操动机构，其特征在于所述的伺服控制器的控制过程，按以下步骤执行：

1)初始化；

2)判断断路器处于分/合位置；

3)等待分/合命令；

4)调用分/合闸中断服务过程；

5)分/合闸过程结束；

6)保存分/合闸过程；

7)结束返回等待分/合闸命令。

3、根据权利要求2所述的一种高压断路器直线电机操动机构，其特征在于所述的步骤4)中分/合闸中断服务过程，按以下步骤执行：

1)磁极位置判断:

检测位置传感器信号，并确定是否换向，需要换向，则进入换向服务过程，不需要，则继续往下执行；

2)读取速度；如果位置传感器信号状态不变，则读取速度；

读取预设速度曲线给定的速度值v*以及速度传感器反馈回来的电机实际速度值v；

3)比较速度；

将速度传感器测得的实际速度与给定的速度值相比较，将其差值作为速度调节的给定误差，Δv＝v*-v；

4)调节速度；由给定的速度误差确定电流的误差值Δ_i＝K_iΔv，K_i—电流调节系数；

5)读取电流；读取电流传感器反馈回来的电流值i；

6)调节电流；将电流传感器测得的实际电流值与电流误差值相加，确定电流调节的给定值，i*＝Δi+i；

7)确定PWM占空比；

PWM占空比α_k从0-1，对应i*从0-I_max，根据给定电流的大小确定PWM占空比

8)更新PWM寄存器；

9)判断是否结束；

10)返回。

4、根据权利要求3所述的一种高压断路器直线电机操动机构，其特征在于所述步骤1)中的换向服务过程，按以下步骤执行：

1)保护现场；

2)读取换向控制字；

3)查找开关管工作状态；

4)换向；

5)恢复现场退出。

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