CN102246254B - 用于操作电设备的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作电设备的驱动系统(1)。驱动系统(1)包括具有永磁体转子(6)的电动机(3)，该永磁体转子(6)可连接到电设备，用于通过有限角度旋转来控制它的操作，电动机(3)还包括定子绕组(8)。驱动系统(1)还包括连接到定子绕组(8)的驱动系统(2)。驱动系统(1)的特征在于永磁体转子(6)被布置成与定子绕组(8)在被供应来自驱动电路(2)的电流时产生的磁场对准，使得在转子(6)的所述有限角度旋转的两个端部位置之间的中间位置周围的±25度区间内，向转子(6)并且由此向可移动部分施加最大转矩。

Description

用于操作电设备的驱动系统

技术领域

本发明涉及用于操作电设备的驱动系统这一领域。具体而言，本发明涉及一种如在权利要求1的前序中限定的用于通过作用于电设备如高压断路器的可移动部分来操作电设备的驱动系统。

背景技术

断路器在配电网络中普遍用于保护网络免受例如由过载或者短路引起的损坏。断路器由实现打开和闭合断路器的驱动系统操作。在检测到故障时必须快速打开(断路)断路器，并且这又给用于操作断路器的驱动系统带来高要求。必须迅速而可靠地进行对断路器的触点的打开和闭合。

这样的驱动系统的示例包括使用机械弹簧。存储于弹簧中的能量被释放和用于打开断路器触点构件。

公开号为WO 2005/024877的国际专利公布公开了这样的用于操作断路器的驱动系统的另一示例。具体而言，驱动系统包括由包括电子器件如电容器组和晶闸管的驱动电路赋能的电动机。

虽然是一种起作用的解决方案，但是晶闸管和有关电子部件使它成为成本相当高的解决方案。因此，将希望提供用于操作断路器的替代装置，并且具体为一种成本更低的解决方案。

在GB2226453中描述另一使用电动机的驱动系统。在这一文献中，提供了一种包括开关驱动轴杆的电磁开关驱动，该轴杆连接到在两个开关位置之间可旋转的切换构件。条形两极永磁体可旋转地刚性装配于开关驱动轴杆上。磁体与开关驱动轴杆成直角被磁化，并且能够在接合件限定的两个极端位置之间由极可逆DC电压操作的线圈转动。在该文献中，将这些接合件描述为被布局成使永磁体的旋转角在限定中间位置的线圈横轴的任一侧上受限于60的最大值。

US4227164描述一种能够在两个方向上平滑旋转近似180度的角度范围而不运用回动弹簧或者其它类似装置的旋转螺线管或者类似电磁旋转装置。

US4795929描述一种旋转致动器，其中在两个定子之间有自由的可旋转永磁电枢。定子的至少一个产生非对称磁通场，其对电枢的磁场起作用以便引起其旋转。

EP0800195描述一种用于使用继电器来驱动断路器的驱动系统。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有成本高效设计、克服现有技术的上述缺点的用于操作电设备如断路器的驱动系统。

本发明的另一目的在于提供一种用于操作电设备如断路器的驱动系统，从而实现对电设备的可靠和迅速操作。

这些目的以及其它目的由一种如在独立权利要求中限定的用于电设备如断路器的驱动系统实现。

根据本发明，提供一种用于通过作用于电设备如高压断路器来操作电设备的驱动系统。该驱动系统包括具有永磁体转子的电动机，永磁体转子可连接到电设备的可移动部分，用于通过有限角度旋转来控制它的操作。电动机还包括定子绕组。驱动系统还包括连接到定子绕组的驱动电路。在驱动系统中，永磁体转子也被布置成与定子绕组在被供应来自驱动电路的电流时产生的磁场对准，使得在所述转子的所述有限角度旋转的两端位置之间的中间位置周围的±25度区间内，向转子并且由此向可移动部分施加最大转矩。驱动系统的特征在于电驱动电路包括并联连接的至少三个支路，各支路包括串联连接的机械继电器和电容器组，电驱动电路还包括用于实现电流方向反向的第四机械继电器。借助本发明，电动机仅需用于各操作的一个电流脉冲。因此，消除现有技术解决方案的与为了根据转子位置供应正或者负脉冲而需要的电子器件有关的成本。另外，借助本发明实现一种成本很高效的解决方案，该解决方案也提供断路器的很可靠操作。另外，在本发明中避免零转矩穿越(zero torquecrossing)。

在本发明的一个实施例中，在转子的有限角度旋转中的约半途中，向转子并且由此向可移动部分施加最大转矩。

根据本发明的另一实施例，转子的方向相对于为了进行操作而需要的机械角度而固定。所用电动机的新设计并且特别是操作需要单个电流脉冲串这一事实使得能够使用机械继电器而不是晶闸管和有关电子器件。由于无需电流切换以获得进行操作的所需行进，所以驱动电路可以变得复杂性更低并且因此易于制造。这同样使驱动系统与现有技术解决方案相比更加成本高效。

其更多特征和优点在从属权利要求书中被限定并且将在阅读下文描述时变得清楚。

附图说明

图1示意地图示了在用于操作断路器时使用的本发明。

图2a和图2b图示了根据本发明使用的单相电动机。

图3图示了随着在永磁体场与磁场方向之间的角度而变化的转矩输出。

图4图示了现有技术的在开关与致动该开关的电机之间的移动传输机构。

图5图示了用于在现有技术解决方案中使用的电机的电流分布图。

图6a和图6b分别图示了根据本发明的用于起始位置和结束位置的磁角度。

图7a图示了转变成移动传输机构的角度的机械角度。

图7b和图7c分别图示了在闭合和打开位置的根据本发明的移动传输机构。

图8图示了根据本发明的用于驱动电动机的电驱动电路。

图9图示了根据本发明的用于对驱动系统充电的充电器单元。

具体实施方式

图1示意地图示了用于操作电设备如高压断路器的根据本发明的驱动系统1。下文使用断路器作为示例以图示借助驱动系统1来操作的电设备。驱动系统1因此可以用于操作断路器的可移动部分，如触点构件，以便打开或者闭合它。然而驱动系统1也可以用于操作其它电设备，如例如打开和闭合快速作用阀。

驱动系统1包括用于控制电致动器3的操作的电驱动电路2。在本发明中使用的电致动器3包括单相电动机并且以下称为电动机3。电动机3包括可连接到输出轴杆4的转子6。输出轴杆4经由机械联接5连接到电设备(如高压断路器)的可移动部分，其以标号7示意地图示。

图2a和图2b详细图示了电动机3。电动机3包括转子6(永磁体转子)，该转子例如包括称为转子管的空心圆筒，该圆筒又包括永磁体。转子6可连接到输出轴杆4，以控制断路器的打开和闭合。电动机3还包括由两个定子阀9a、9b形成并且在定子9a、9b上具有单个绕组8的定子。线圈绕组8连接到电驱动电路2。通过向线圈绕组8施加电流来产生如下磁场，转子6的永磁体需要与该磁场对准。图2b中的字母F示意地表明来自线圈绕组8的磁通，而字母M表明转子6的磁场线。线圈绕组8中的电流产生的磁场F与转子6的磁场M一起造成对转子6施加转矩。由于转子6经由输出轴杆4和联接5连接到断路器7的可移动部分，因此也对可移动部分施加转矩，由此实现所需操作。

图3图示了用于现有技术的电机的转矩输出，其随着在永磁体场线与线圈绕组在被供应电流时产生的磁场方向之间的角度而变化。当永磁体磁场在与线圈绕组的磁场相同的方向上对准时，转矩变成零。当永磁体方向与线圈绕组的场垂直时，转矩具有它的最大值。因此，转矩在场线相互垂直时为最大值而在它们对准时为最小值。在最大值与最小值之间针对给定磁通基本上有正弦转矩输出。

为了提供对本发明的完全理解，下文详细描述现有技术。图4示意地图示了如在转让给与本申请相同的申请人的、公开号为WO2005/024877的前述国际专利中公开的一种现有技术的在设备如断路器(未图示)与致动断路器的电机之间的移动传输机构。向其中公开的电机施加上述转矩输出。具体而言，操作杆31连接到断路器的可移动部分并且被配置成在竖直方向上上下移动。联接32、33将操作杆31连接到转子的输出转子轴杆34。断路器在连接到输出转子轴杆34的联接部分33与操作杆31和其它联接部分32对准时(即在偏转角θ＝0°时)闭合。当断路器将要打开时，输出转子轴杆34从θ＝0°向θ＝180°旋转。通过驱动电流经过转子的定子绕组短暂一段时间来实现旋转。

磁角度的工作区在这一现有技术的布置中近似从65度至280度，即在180度穿过零转矩点而在180度之后如果磁场具有相同方向则电机开始减速。如果电流代之以反向，则磁场改变符号并且给出继续的正转矩。以已知方式，由于转子的动能而穿过零转矩点。

图5图示了用于上述电机的电流分布图。具体而言，该图图示了始于加速阶段的用于打开操作的到电机的电流，在该加速阶段之后，正电流脉冲提供减速，继而负电流脉冲提供最终推动模式以便完全打开断路器的触点构件。

然而如在本申请的背景技术部分中提到的那样，这一现有技术系统的驱动电路包括昂贵电子部件。该设计也是根据转子位置向电机供应的正或者负电流的相当复杂的序列并且需要相当多的电子器件。

根据本发明，改变磁角度的工作区。磁角度理解为在转子6的永磁体的磁场线与定子绕组8产生的磁场线之间的角度。根据本发明，这一磁角度在起始位置在150°-170°的范围内(例如160°或者155°)，这可以与近似270°的现有技术解决方案比较。分别在图6a和图6b中图示了用于起始位置和结束位置的磁角度。如图2b中那样，字母M表明转子6的磁场线，而字母F表明来自线圈绕组8的磁通。

本发明的发明人已经发现可以通过修改电机3中的磁角度的工作区针对各打开/闭合操作将电流脉冲改变成单个电流脉冲。发现工作区10°至170°而不是现有技术的65°至280°提供一种其中转矩和能量输出未降低太多的解决方案。事实上，转矩和能量输出的减少限于约10％，这仍然提供一种完全起作用和可靠的解决方案。注意提到的工作区(即10°至170°)为近似，但是无论如何应当满足0°＜工作区＜180°这一要求。

另外根据本发明，永磁体方向相对于操作所需要的机械角度固定。机械角度表明连接到机械联接5的输出轴杆4的如下所需移动所需要的由转子6产生的旋转角，该所需移动用于移动断路器的触点构件。机械角度可以转变成在机械联接5的起始位置(θ＝0)与输出轴杆4的当前位置(如在图7a中的θ所示)之间的角度。

图7b和图7c图示了根据本发明的机械角度移位的对应改变。具体而言，这些图分别图示了在闭合和打开位置的根据本发明的移动传输机构(机械联接5)。假设磁角度工作区为170°-10°，机械起始角度然后可以在闭合位置选择成-10°，如图7b所示，从而实现在闭合位置的自锁。图7c中所示打开位置或者机械结束位置相应约为150°，因为机械角度和磁角度产生一样大的行进(在上例中为160°)。注意机械起始角度可以选择成任何所需角度。

根据本发明，在转子6的有限角度旋转中的约中途向转子6并且由此向断路器7的可移动部分施加最大转矩。这与现有技术解决方案相反，在现有技术中在起始位置施加最大转矩，即永磁体转子的磁场线与定子绕组中的电流流动产生的磁场垂直。可以在有限角度旋转的中间位置周围的近似±30度或者±25度区间内并且优选在±22.5度区间内，向转子施加最大转矩，尽管对于多数应用而言，大约中途提供了可靠的结果。中间位置理解为在有限角度旋转的两端位置之间的中途。

由于根据本发明的驱动系统1的设计不复杂，因而难以在行程的结束处实现电制动。因此优选在行程的结束处提供机械阻尼器D或者其它端部制动器，例如与用于常规弹簧操作机构的阻尼器类似的阻尼器。

修改磁角度的工作区实现用单个电流脉冲操作断路器：用于打开断路器的正电流和用于闭合它的负电流。这一修改又使得有可能利用驱动电路2中的机械继电器向电机3供应电流。机械继电器更成本高效和可靠，由此使驱动电路2比利用晶闸管的现有技术解决方案成本更低。如接着将参照图7描述的那样，需要四个机械继电器以从三个单独电容器组向电机3供应电流。

图8图示了根据本发明的用于驱动电动机的电驱动电路2。驱动电路2包括并联连接的三个支路17、18、19。各支路17、18、19包括与电容器组14、15、16串联连接的机械继电器10、11、12。

提供用于实现电流方向改变的第四机械继电器13。

机械继电器10、11和12可以是任何简易通-断开关，即SPST(单极单掷)继电器。机械继电器13是简易双向继电器(换向继电器)，即SPDT(单极双掷)继电器。

机械继电器10、11和12与相应电容器组14、15、16一起布置成针对两次打开操作和一次闭合操作提供电流。机械继电器10与第一电容器组14串联连接。当检测到故障并且断路器将要打开(断路)时，机械继电器10向闭合位置切换而机械继电器13向位置P1切换。通过切换机械继电器13，电流流过线圈绕组8从而产生磁场F并且由此将电机3的转子6旋转所需机械角度。

接着，当断路器将要闭合时，与第二电容器组16串联连接的机械继电器12闭合而机械继电器13向位置P2切换，由此使电流能够在反向方向上流过线圈绕组8并且实现转子6在反向方向上的对应旋转。

最终，如果使断路器打开的故障仍然存在，则进行第二打开操作：与第三电容器组15串联连接的机械继电器11闭合，而机械继电器13向位置P1切换，并且进行如上文所述针对机械继电器10的操作。

机械继电器11、12、13、14因此从三个分离的电容器组14、15、16向电机3供应电流，这些电容器组在规格上设定成针对打开-闭合-打开操作提供能量。作为示例，对于典型高压断路器应用，适合于打开操作的电容器在电压额定值为400V时为1.2mF(电容器组14，15)，而适合于闭合操作的电容器在电压额定值为400V时为0.7mF(电容器组16)。

注意，驱动系统1还包括在图1中示意地图示并且以标号30标明的布置成控制驱动系统1的控制设备。例如，控制设备30适于控制电动机3，以例如在近似10°-170°区间内进行它的角度运动，以用于操作电设备7；布置成切换机械开关等。

还注意虽然描述三个支路17、18、19，但是可以在一些应用中使用更多附加支路。例如有如下规范，这些规范要求断路器能够进行打开-闭合-打开-闭合-打开操作，在该情况下需要两个附加支路(未图示)。设想使用更多支路并且这在本发明的范围内。

概括而言，通过对电动机的设计和永磁体方向相对于操作所需要的机械角度如何固定的所述修改，来实现使用机械继电器10、11、12、13。与先前单相角度有限电机(这些电机让永磁体的对准以在总旋转角的中间某处给予零转矩)对照，本发明在总旋转角度的中间具有峰值转矩。对应地，与现有技术(其中在起始位置向转子施加最大转矩)对照，本发明在起始位置的转矩并非最大。这样的改变的一个优点在于电动机仅需用于每个操作的一个电流脉冲，而已知电机需要极性不同的两个电流脉冲以获得所需运动。由于该改变使得能够使用机械继电器而不是更昂贵的电子部件，所以实现一种成本更高效的解决方案。

注意，可以使用晶闸管开关来实施最大转矩输出与现有技术相比改变的所述解决方案。虽然如今使用晶闸管是一种比使用机械继电器成本更高的解决方案，因此优选加以避免，但是设想在某一将来时候(例如当更大销售量时)使用晶闸管也可以提供一种成本高效的解决方案。因此，在一个替代实施例中，机械继电器换成晶闸管开关。基于晶闸管的解决方案然后也提供在先前段落中描述的优点。

在本发明的一个实施例中，提供用于对上述驱动系统1充电的改进电容器充电器20。参照图9，整个电容器组在规格上设定成针对断路器的打开-闭合-打开操作(也称为断路-通路-短路操作)提供能量。根据这一实施例，将电容器组20划分成更小的低电压单元21、22、23、24。对低电压单元21、22、23、24并联充电。在操作期间，在应当从电容器组释放能量时，低电压电容器单元21、22、23、24串联连接以获得所需输出电压。例如可以由类型与机械继电器11、12、13相同的机械继电器25、26、27、28产生电容器单元21、22、23、24从并联向串联连接的改变。通过这一设置，有可能使用通常为100V DC的辅助电压以直接对低电压电容器单元充电而无需增压设备。

Claims (10)

1.一种驱动系统(1)，用于通过作用于电设备(7)的可移动部分来操作所述电设备(7)，所述驱动系统(1)包括：

-具有永磁体转子(6)的电动机(3)，所述永磁体转子(6)可连接到所述电设备(7)的可移动部分，用于通过有限角度旋转来控制所述电设备(7)的操作，所述电动机(3)还包括定子绕组(8)，以及

-连接到所述定子绕组(8)的驱动电路(2)，其中所述永磁体转子(6)被布置成与所述定子绕组(8)在被供应来自所述驱动电路(2)的电流时产生的磁场对准，使得在所述转子(6)的有限角度旋转的两个端部位置之间的中间位置周围的±25度区间内，向所述转子(6)并且由此向所述可移动部分施加最大转矩，

其特征在于，所述驱动电路(2)包括并联连接的至少三个支路(17，18，19)，并且各个支路被布置成针对一个打开或闭合操作将电流提供给所述定子绕组(8)，各个支路(17，18，19)包括串联连接的机械继电器(10，11，12)和电容器组(13，14，15)，所述驱动电路(2)还包括用于实现电流方向反向的第四机械继电器(13)。

2.根据权利要求1所述的驱动系统(1)，其中在所述转子(6)的所述有限角度旋转中的约半途中，向所述转子(6)并且由此向所述可移动部分施加所述最大转矩。

3.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，其中各所述支路(17，18，19)被布置成向所述电动机(3)的定子绕组(8)提供能量，用于进行所述电设备(7)的操作。

4.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，其中所述有限角度旋转在10°至170°区间内，并且所述可移动部分被布置成在从-10°至150°的区间内移动。

5.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，其中所述可移动部分的整个操作通过由所述驱动电路(2)提供的单个电流脉冲来实现。

6.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，其中所述电设备(7)包括断路器，并且所述操作循环包括闭合所述断路器的触点构件或者打开所述断路器的触点构件。

7.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，还包括控制设备(30)，适于控制所述电动机(3)以在10°-170°区间内进行角度运动，用于操作所述电设备(7)。

8.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，其中所述永磁体转子(6)的方向相对于操作所需要的机械角度固定。

9.根据权利要求1或者2所述的驱动系统(1)，还包括充电器设备(20)，所述充电器设备(20)包括布置成被并联地充电的多个电容器单元(21，22，23，24)，并且包括用于串联连接所述电容器单元(21，22，23，24)以用于向所述电设备(7)的操作提供能量的装置(25，26，27，28)。

10.根据权利要求9所述的驱动系统(1)，其中所述用于串联连接所述电容器单元(21，22，23，24)的装置(25，26，27，28)包括机械继电器(25，26，27，28)。

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