CN105405708A - 一种电机直驱的快速接地开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机直驱的快速接地开关，其包括设置在快速接地开关灭弧室内的动静触头，用于驱动动触头的电机直驱操动机构，以及用于输出快速接地开关开合信号的辅助开关；电机直驱操动机构包括依次连接的驱动电机，传动锥齿轮组和第一、二平行四连杆机构；传动锥齿轮组包括连接驱动电机的主动齿轮和设置输出中心转轴的从动齿轮；输出中心转轴的一端通过第一平行四连杆机构连接动触头，另一端通过第二平行四连杆机构连接辅助开关。利用驱动电机通过锥齿轮组的传动的转向，以及平行四连杆机构的定向快速稳定传动，对动静触头进行直接驱动控制；整个传动链中的传动稳定可控，满足快速接地开关的操动要求，同时能够满足智能化电网的控制需求。

Description

一种电机直驱的快速接地开关

技术领域

本发明涉及智能电网下快速接地开关，具体为一种电机直驱的快速接地开关。

背景技术

快速接地开关是电力系统中的重要组成设备，它也是保护电力系统运行安全和控制电力系统电路的重要设备之一，因此快速接地开关的分合可靠性关系到整个电力系统的安全。操动机构是控制快速接地开关进行分闸和合闸操作的机构，所以可以说操动机构的可靠性关系到整个电力系统的安全运行。

传统快速接地开关操动机构主要是由连杆、锁扣、储能系统以及一系列的机械零部件组成，不仅结构复杂、噪音大，而且加工精度及工艺要求极高，根据调查显示，快速接地开关的各类故障中，接近35％故障属于操动机构故障。因此，研制更高可靠性的新型快速接地开关用操动机构对于提高电网安全性至关重要。

为了克服传统操动机构的局限性，提高快速接地开关的操作性能，有必要对快速接地开关操动机构传动方式进行新技术开发。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种结构简单，传动链短，运行可靠的电机直驱的快速接地开关。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电机直驱的快速接地开关，包括设置在快速接地开关灭弧室内的动静触头，用于驱动动触头的电机直驱操动机构，以及用于输出快速接地开关开合信号的辅助开关；电机直驱操动机构包括依次连接的驱动电机，传动锥齿轮组和第一、二平行四连杆机构；传动锥齿轮组包括连接驱动电机的主动齿轮和设置输出中心转轴的从动齿轮；输出中心转轴的一端通过第一平行四连杆机构连接动触头，另一端通过第二平行四连杆机构连接辅助开关。

优选的，第一平行四连杆机构包括一端连接在输出中心转轴上的主动摇杆拐臂，一端通过密封轴连接在灭弧室上的从动摇杆拐臂，以及两端分别与主动摇杆拐臂和从动摇杆拐臂另一端铰接的第一连杆；主动摇杆拐臂和从动摇杆拐臂的回转半径相同且呈等角度设置，第一连杆的从动端通过过渡连杆与动触头的驱动端铰接。

进一步，当动静触头进行开合状态的转换时，主动摇杆拐臂和从动摇杆拐臂同步同向运动90°。

优选的，第二平行四连杆机构包括一端连接在输出中心转轴上的传动摇杆拐臂，一端连接辅助开关的摇杆拐臂，以及两端分别与传动摇杆拐臂和摇杆拐臂另一端铰接的第二连杆；传动摇杆拐臂和摇杆拐臂的回转半径相同且呈等角度设置。

优选的，电机直驱操动机构还包括连接在电机供电端的储能电容，以及用于控制驱动电机的驱动控制系统；驱动控制系统包括设置在输出中心转轴上用于采集快速接地开关速度和位置的旋转编码器；设置在储能电容和驱动电机之间的逆变电路；用于采集驱动电机电流信号的霍尔电流传感器；用于将电流信号进行滤波和信号转换的滤波电路，用于在电动机矢量控制算法的基础上，根据输入的驱动电机电流信号、快速接地开关速度和位置信号得到用于控制驱动电机的PWM信号的控制电路；用于根据PWM信号产生驱动控制信号的驱动电路；所述驱动电路的输出端连接逆变电路的控制端。

进一步，控制电路的处理器采用DSP芯片，控制电路的输出端通过RS485/232通讯接口连接上位机进行信号通讯和数据传输。

优选的，动静触头呈水平插接配合，静触头的固定端支撑固定在呈筒形的固定导体上，动触头滑动连接在导体座上，导体座和固定导体分别通过绝缘台固定在快速接地开关中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用驱动电机通过锥齿轮组的传动的转向，以及平行四连杆机构的定向快速稳定传动，对动静触头进行直接驱动控制；整个传动链中的传动稳定可控，不存在现有技术中的弹簧等连接复杂的零部件，满足快速接地开关的操动要求，同时能够满足智能化电网的控制需求。移动的部件和撞击的部分减少，噪音小，系统简单可靠，符合大趋势下小型化的方向，为定量稳定控制提供了控制基础和条件，使得开关实现智能化、小型化，且可靠性、传动稳定性能得到保证，开合彻底到位。

进一步的，利用设置的双摇杆对传动进行定位和平稳过渡控制，通过在过渡连杆对第一平行四连杆机构与动触头进行连接，使得触头在分合过程中，能够平行轴向移动，减少了触头和触头座之间的摩擦力，增加了触头的机械寿命。

进一步的，利用控制系统能够对速度可控的永磁同步电机进行控制，从而使得快速接地开关的分合速度和行程都进行实时控制，且开关的老化、环境温度变化对动触头操动性能影响小，能根据实际运行情况调整分合闸速度，使其机械特性更能符合预期的曲线；容易实现实时状态监测，推动智能电网的发展。

附图说明

图1为本发明实例中所述的快速接地开关的合闸状态示意图。

图2为本发明实例中所述的快速接地开关的分闸状态示意图。

图3为图1的左视图。

图4为本发明实例中所述的快速接地开关的控制系统结构示意图。

图中：辅助开关1，摇杆拐臂2，第二连杆3，传动摇杆拐臂4，从动齿轮5，主动摇杆拐臂6，驱动电机7，主动齿轮8，第一连杆9，输出中心转轴10，密封盖板11，从动摇杆拐臂12，密封轴13，过渡连杆14，导体座15，动触头16，固定导体17，静触头18，第一铰轴19，第二铰轴20，第三铰轴21，第四铰轴22，第五铰轴23，电机输出轴24，储能电容25，旋转编码器26。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明包括如下各传动部分：快速接地开关具有的静触头18和动触头16，具有关合短路电流的能力；产生驱动动触头16的驱动力的操动机构部分；连接操动机构和动触头16的第一平行四连杆机构；第一平行四连杆机构具有连接在动触头16一侧的从动摇杆拐臂12，连接在操动机构的一侧的主动摇杆拐臂6，以及安装在这两个拐臂之间的第一连杆9。第一平行四连杆机构将动触头16和操动机构连接起来，操动机构部分产生驱使可动触头的驱动力，从而使动触头具有关合短路电流的能力。

本发明通过只有一个转动部件的电机转子进行驱动，用储能电容来存储控制操动机构的能量，能够直接驱动快速接地开关的动触头进行分合闸操作，配合设置的控制系统使其智能化、小型化，并提高其可靠性。

具体的，如图1所示，本发明提供的一种电机直驱的快速接地开关，如图1所示，其采用电机直驱操动机构的传动方式，包括提供动触头驱动力的驱动电机7，引导电机至预期目标运动的驱动控制系统，提供常开常闭节点的辅助开关，连接驱动电机7和动触头16的第一平行四连杆机构以及动静触头。

其中，如图1所示，快速接地开关中的操动部分经第一平行四连杆机构使得快速接地开关中的动静触头处于的合闸状态。开断部分中，静触头18的一端支撑并固定在筒形的固定导体17上，其另一端则与动触头16接触。动触头16与静触头18接触的一侧做成圆筒形，当动触头16沿轴向移动时，动触头16就契合在这个圆筒内部。固定导体17通过绝缘台固定在快速接地开关外壳中。静触头18和固定导体17都是固定件。

动触头16与静触头18的接触端相反的一端，支撑并固定在过渡连杆14上，动触头16则由导体座15支撑，使得动触头16沿着轴向可以平行移动。过渡连杆14通过第二铰轴20和从动摇杆拐臂12连接，从动摇杆拐臂12通过内六角孔固定在密封轴13上，从动摇杆拐臂12、主动摇杆拐臂6和第一连杆9共同组成了连杆机构，因为动摇杆拐臂12、主动摇杆拐臂6尺寸大小一致，从而形成平行四边形为第一平行四连杆机构，故开关触头分合时拐臂以等角度运动，使得机构运动的简单化，易于控制。

电机传动中，由驱动电机7提供能量、由锥齿轮组中的从动齿轮5和主动齿轮8提供转换传动方向和力矩，配合输出中心转轴10。辅助开关通过定位销固定于输出中心转轴10的传动摇杆拐臂4、第二连杆3、摇杆拐臂2以及提供常开常闭节点的辅助开关1。

当快速接地开关处于分闸状态时，如图2所示。当从分闸状态过渡为合闸状态时，驱动电机7得到分闸命令信号，储能电容25释放驱动电机能量，带动从动齿轮5和主动齿轮8，使得驱动电机7的运动方向和力矩得到转换。从动齿轮5和主动摇杆拐臂6固定于输出中心转轴10上，故从动齿轮5和主动摇杆拐臂6的角速度相同。电机传动部分和开断部分由第一平行四连杆机构连接，而主动摇杆拐臂6和从动摇杆拐臂12角速度也是相同的，从动摇杆拐臂12快速逆时针旋转90°，由于动触头16就通过过渡连杆14与动摇杆拐臂12连接，使得动触头运动到合闸结束。

本发明是基于电机直驱的快速接地开关，替代传统的弹簧机构，着重于电机直驱传动方式的设计。如图4所示为电动操动机构能量传递的系统结构以及控制结构示意图，如图4所示，交流电源经过整流模块整流给储能电容25充电，经过储能电容25将电源加在逆变电路，逆变电路输出三相电压控制驱动电机7的转动，驱动电机7的电流通过霍尔电流传感器可以测到，电流信号经过滤波和信号转换后作为控制信号输入控制电路。而快速接地开关的速度和位置可由旋转编码器获得，如图3所示，旋转编码器26安装在输出中心转轴10上，经过计算即可得出快速接地开关动触头16的行程和速度。驱动电机7的电流、快速接地开关行程和速度信号传入控制电路，控制电路通过信号的采集和数据的处理，并根据电动机矢量控制算法，产生控制电力电子开关的PWM信号，从而驱动电机实现对快速接地开关的控制。上位机可通过通信接口和控制电路连接，记录和显示快速接地开关的操作过程，并可调试操动机构，使得电动操动机构更好地满足快速接地开关操作的技术要求。

本优选实例中，驱动电机7采用永磁同步电机，具有高转矩/重量比、低转动惯量、效率高、可靠性高等优点。永磁同步电机交流伺服系统在技术上已经十分成熟，能实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。而电机驱动更是整个系统控制的核心，选用以DSP芯片为核心的驱动控制系统，快速接地开关动触头的分合时间、速度很容易通过控制器实现。比如专门用于运动控制的DSP芯片，芯片集成了丰富的用于电机控制的专用模块，比如A/D转换器、定时计数器等，并通过大容量的高速的静态RAM和大容量的程序存储器，提高处理器性能。此外DSP可集成很多扩展功能模块：通讯模块、CAN总线等，通过扩展外围电路就可以很方便的增加系统的功能。从而使得驱动电机7可实现电流、速度的双闭环控制，可对快速接地开关的动触头运动进行实时控制，使快速接地开关动触头沿预先给定的分合闸行程曲线进行动作，可实现快速接地开关分合闸操作的智能化。

以上是结合本发明附图的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，包括设置在快速接地开关灭弧室内的动静触头，用于驱动动触头(16)的电机直驱操动机构，以及用于输出快速接地开关开合信号的辅助开关(1)；

所述电机直驱操动机构包括依次连接的驱动电机(7)，传动锥齿轮组和第一、二平行四连杆机构；传动锥齿轮组包括连接驱动电机(7)的主动齿轮(8)和设置输出中心转轴(10)的从动齿轮(5)；输出中心转轴(10)的一端通过第一平行四连杆机构连接动触头(16)，另一端通过第二平行四连杆机构连接辅助开关(1)。

2.根据权利要求1所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，第一平行四连杆机构包括一端连接在输出中心转轴(10)上的主动摇杆拐臂(6)，一端通过密封轴(13)连接在灭弧室上的从动摇杆拐臂(12)，以及两端分别与主动摇杆拐臂(6)和从动摇杆拐臂(12)另一端铰接的第一连杆(9)；主动摇杆拐臂(6)和从动摇杆拐臂(12)的回转半径相同且呈等角度设置，第一连杆(9)的从动端通过过渡连杆(14)与动触头(16)的驱动端铰接。

3.根据权利要求2所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，当动静触头进行开合状态的转换时，主动摇杆拐臂(6)和从动摇杆拐臂(12)同步同向运动90°。

4.根据权利要求1所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，第二平行四连杆机构包括一端连接在输出中心转轴(10)上的传动摇杆拐臂(4)，一端连接辅助开关(1)的摇杆拐臂(2)，以及两端分别与传动摇杆拐臂(4)和摇杆拐臂(2)另一端铰接的第二连杆(3)；传动摇杆拐臂(4)和摇杆拐臂(2)的回转半径相同且呈等角度设置。

5.根据权利要求1所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，电机直驱操动机构还包括连接在电机供电端的储能电容(25)，以及用于控制驱动电机(7)的驱动控制系统；

驱动控制系统包括设置在输出中心转轴(10)上用于采集快速接地开关速度和位置的旋转编码器(26)；设置在储能电容(25)和驱动电机(7)之间的逆变电路；用于采集驱动电机(7)电流信号的霍尔电流传感器；用于将电流信号进行滤波和信号转换的滤波电路，用于在电动机矢量控制算法的基础上，根据输入的驱动电机电流信号、快速接地开关速度和位置信号得到用于控制驱动电机(7)的PWM信号的控制电路；用于根据PWM信号产生驱动控制信号的驱动电路；所述驱动电路的输出端连接逆变电路的控制端。

6.根据权利要求5所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，所述的控制电路的处理器采用DSP芯片，控制电路的输出端通过RS485/232通讯接口连接上位机进行信号通讯和数据传输。

7.根据权利要求1所述的一种电机直驱的快速接地开关，其特征在于，动静触头呈水平插接配合，静触头(18)的固定端支撑固定在呈筒形的固定导体(17)上，动触头(16)滑动连接在导体座(15)上，导体座(15)和固定导体(17)分别通过绝缘台固定在快速接地开关中。