CN107170594A - 一种三工位开关操作机构的电机控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三工位开关操作机构的电机控制电路，采用串励电机进行机构的驱动和制动，通过控制串励电机的转子和定子的串联接线方式，确定电机的正转和反转，实现分合闸动作，通过切换具有磁保持性质的双位置继电器的动触点，改变电机定子的接线，保证电机快速、准确制动，并且本发明只需要将电机定子接线方式，就能实现可靠制动，电路原理简单、故障率低。

Description

一种三工位开关操作机构的电机控制电路

技术领域

本发明属于高电压开关设备技术领域，具体涉及一种三工位开关操作机构的电机控制电路。

背景技术

高压隔离开关和高压接地开关在高压电力输配中起着至关重要的作用，对于操作其动作的机构的可靠性直接影响了整个电网系统的安全和稳定；由于土地资源的稀缺，缩减高压输配电及变电站的土地占用要求越来越高，电力系统用户对高压开关的小型化需求越来越旺盛。因此，对于配备小型化开关所需的三工位电动机构要求越来越多。

三工位隔离接地开关兼具隔离开关与接地开关两种功能，已广泛应用于GIS(金属封闭开关设备)。三工位机构带动本体可以实现3个状态位置的切换，即：①DS分闸、ES分闸，②DS合闸、ES分闸，③DS分闸、ES合闸。3个状态位置的转换依靠电机的转动带动动触头运动实现，以DS、ES均处于分闸的初始位置为例，电机正转可以实现①②③，反转可以实现③②①状态的转换，如图1-1、图1-2、图1-3所示。

机构带动动触头进行运动需要驱动器实现电机正反转功能，动触头准确运动到设定位置，驱动器需要具备制动功能，且该功能非常重要。对于采用直流供电的机构，机构可以采用永磁直流电机，电机的正反转可以采用改变正负电源方向来实现，机构电机的制动一般采用外接电阻能耗制动的方式实现，实现原理简单。如图2所示，电机M1通过电阻R1、常闭触点-KA、常闭触点-KE形成的制动回路进行制动。而采用这种直流电源的三工位操作机构机械结构复杂，其电气制动过程依赖微动开关与辅助开关的时间配合，常常因为时间配合不准确而发生故障，故障率较高。

国内三工位操作机构，只能采用直流供电电源，对于只能提供交流电源供电的工况，所需的三工位机构，只能依赖进口；由于国内零部件加工工艺及电机部件的技术水平有限，国内机构无法仿造国外的三工位机构。

发明内容

本发明的目的是提供一种三工位开关操作机构的电机控制电路，用于解决现有由直流供电的三工位开关操作机构电机制动故障率高的问题，及解决能够同时适用于交直流电源的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种三工位开关操作机构的电机控制电路，包括以下解决方案：

方案一，包括由第一合闸常开触点、第一接口、第二接口、第二合闸常开触点、第三接口、第四接口依次串联的第一支路，所述第一合闸常开触点、第一接口、第二接口的两端并联有第一分闸常开触点，所述第一接口、第二接口和第二合闸常开触点的两端并联有第二分闸常开触点；所述第一接口、第二接口用于串接电机转子绕组或短路，所述第三接口、第四接口用于串接电机定子绕组或短路；

所述电机控制电路还包括第二支路，第二支路包括第一开关模块(K1)和用于切换位置的第一开关(KL1)，其中，第一开关模块(K1)包括第三合闸常闭触点、及与其串联的第三分闸常闭触点，当合闸到位时，所述第二支路并联在第二合闸常开触点、第三接口、第四接口的两端，当分闸到位时，所述第二支路并联在第二合闸常开触点的两端；

所述电机控制电路还包括第三支路，第三支路包括第二开关模块(K2)和用于切换位置的第二开关(KL2)，其中，第二开关模块(K2)包括第四合闸常闭触点、及与其串联的第四分闸常闭触点，当分闸到位时，所述第三支路并联在第一接口、第二接口、第二合闸常开触点、第三接口、第四接口的两端，当合闸到位时，所述第三支路并联在第一接口、第二接口、第二合闸常开触点的两端；所述第二支路和/或第三支路上还串设有制动电阻。

方案二，在方案一的基础上，所述第一合闸常开触点并联有第一接地常开触点，第二合闸常开触点并联有第二接地常开触点，所述第一分闸常开触点并联有第一不接地常开触点，第二分闸常开触点并联有第二不接地常开触点；

所述第一开关模块(K1)还串设有第三接地常闭触点、第三不接地常闭触点，所述第二开关模块(K2)还串设有第四接地常闭触点、第四不接地常闭触点。

方案三，在方案二的基础上，所述第一支路并联有第四支路，第四支路串设有第三开关模块(K3)、双位置继电器线圈；双位置继电器线圈的带电状态用于控制第一开关(KL1)和第二开关(KL2)进行位置切换；

第三开关模块(K3)包括相互并联的第五合闸常开触点、第五不接地常开触点、第五分闸常开触点、第五接地常开触点；其中，第五合闸常开触点和第五不接地常开触点并联后连接双位置继电器线圈的其中一个线圈，第五分闸常开触点和第五接地常开触点并联后连接双位置继电器线圈的另一个线圈。

本发明的有益效果是：本发明采用串励电机进行机构的驱动和制动，通过控制串励电机的转子绕组和定子绕组的串联接线方式，确定电机的正转和反转，实现分合闸动作，并且本发明只需要控制电机定子绕组接线方式，就能实现可靠制动，电路原理简单、故障率低，并能同时适用于交直流电源。

另外，通过切换具有磁保持性质的双位置继电器的动触点，改变电机定子的接线，保证电机快速、准确制动。

附图说明

图1-1是三工位隔离接地开关操作机构的分合闸第一位置示意图；

图1-2是三工位隔离接地开关操作机构的分合闸第第二位置示意图；

图1-3是三工位隔离接地开关操作机构的分合闸第三位置示意图；

图2是采用直流电源的开关操作机构的电机控制电路图；

图3-1是串励电机转子、定子的第一种接线方式示意图；

图3-2是串励电机转子、定子的第二种接线方式示意图；

图4是本发明的开关操作机构的电机控制电路图；

图5是本发明的另一种开关操作机构的电机控制电路图；

其中，图5的三工位机构分别用来控制1台隔离开关(DS)和1台接地开关(ES)，DS表示隔离开关，ES表示接地开关；“DS合”是指控制隔离开关合闸操作的命令接口，“DS分”表示控制隔离开关分闸操作的命令接口，“ES合”表示控制接地开关合闸操作的命令接口，“ES分”表示控制接地开关进行分闸操作的命令接口；KE为控制DS合闸的接触器，KA为控制DS分闸的接触器，KE1为控制ES合闸的接触器，KA1为控制ES分闸的接触器，KL为双位置磁保持继电器；D1、D2为电机的转子电枢，D3、D4为电机的定子电枢，L(+)、N(-)表示接入DC电源或AC电源均可；

图6是三工位操作机构控制器的接口图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的开关操作机构采用交流电源或直流电源，为了实现电机能够控制转动和转向，且电机能够适应负载较大的变化，本发明选用串励电机。

串励电机的特点为：电机的转向与所施加的电源类型无关，只与转子、定子的接线方式有关，如图3-1、图3-2所示。当电机的转子与定子中的接线方向为D1-D2-D3-D4时，电机正转；当接线为D1-D2-D4-D3时，电机为反转。由于定子与转子采用串联接线，其电流变化的方向与大小是相同的，所产生的磁通方向的变化也是相同的，所以串励电机可以实现交流/直流电源通用。机构的转向控制通过机构控制器改变定子和转子的接线方向实现，对于机构的制动同样是采用断开电机电源，将定子与转子的接线方向改变，产生与电机转动方向相反的力来实现。机构运行从电机启动，到达设定位置，快速制动，整个过程大约为0.5s，控制器的控制速度也需要满足要求。

为了实现上述过程，需要在串励电机机构的制动过程中正确接入电机定子回路。对于二工位机构，由于其只有隔离开关或接地开关，可以通过隔离开关或接地开关的辅助开关来切换定子在回路中的接线。而对于三工位机构，由于电机的正、反转无法区分驱动的是隔离开关还是接地开关，无法实现通过辅助开关来切换定子接线。

因此，本发明的开关操作机构的电机控制电路的实施例一：

如图4所示，包括由第一合闸常开触点KE1'、接口D1'、接口D2'、第二合闸常开触点KE2'、接口D3'、接口D4'依次串联的第一支路，第一合闸常开触点KE1'、接口D1'、D2'的两端并联有第一分闸常开触点KA1'，接口D1'、D2'和第二合闸常开触点KE2'的两端并联有第二分闸常开触点KA2'。其中，接口D1'、D2'用于连接电机转子绕组Mz，接口D3'、D4'用于连接电机定子绕组Md。

该电路还包括第二支路，包括开关模块K1和用于切换位置的开关KL1，如图4所示，该开关模块K1包括第三合闸常闭触点KE3'、及与其串联的第三分闸常闭触点KA3'，当合闸到位时，第二支路并联在第二合闸常开触点KE2'和接口D3'、D4'的两端，当分闸到位时，第二支路并联在第二合闸常开触点KE2'的两端。

该电路还包括第三支路，第三支路串设有制动电阻、开关模块K2、用于切换位置的开关KL2，其中开关模块K2包括第四合闸常闭触点KE4'、及与其串联的第四分闸常闭触点KA4'，当分闸到位时，第三支路并联在接口D1'、D2'、第二合闸常开触点KE2'、接口D3'、D4'的两端，当合闸到位时，第三支路并联在接口D1'、D2'、第二合闸常开触点KE2'的两端。

在开关操作机构进行合闸时，给合闸继电器线圈通电，该控制电路中所有的合闸常开触点闭合、合闸常闭触点断开，控制电路中所有的分闸常开触点和常闭触点不动作，电机的转子与定子中的接线方向为D1'-D2'-D3'-D4'时，电机正转，第一支路导通。在合闸到位时，合闸继电器线圈失电，开关KL1的动触头连通静触头a、开关KL2的动触头连通静触头c，由于电机为感性负载，电流不能突变，电流的方向为D1'-D2'-KE3'-KA3'-KL1(a)-D4'-D3'-KL2(c)-KA4'-KE4'-R-D1'，实现电机制动。

在开关操作机构进行分闸时，给分闸继电器线圈通电，图4中所有的分闸常开触点闭合、分闸常闭触点断开，电路中所有的合闸常开触点和常闭触点不动作，电机的转子与定子中的接线方向为D1'-D2'-D3'-D4'时，电机正转，第一支路导通。分闸到位时，分闸继电器线圈失电，开关KL2的动触头连通静触头d、开关KL1的动触头连通静触头b，电流的流向为D2'-D1'-R-KE4'-KA4'-KL2(d)-D4'-D3'-KL1(b)-KA3'-KE3'-D2'，电机快速制动。

图4所示的开关操作机构的电机控制电路，为隔离开关或接地开关合闸和分闸的控制电路，以隔离开关进行合闸和分闸的控制电路为例，为了实现三工位隔离/接地开关的分合闸操作，需要在图4中串联或并联相应接地分合闸的常开、常闭触点。具体的，在图4中隔离开关的所有的合闸/分闸常开触点的两端并联设置接地开关的合闸/分闸常开触点，在图4中隔离开关的所有的合闸/分闸常闭触点相应串设接地开关的合闸/分闸常闭触点，即开关模块K1还串设有第三接地常闭触点、第三不接地常闭触点，开关模块K2还串设有第四接地常闭触点、第四不接地常闭触点。由于接地开关的合闸/分闸操作的控制原理与隔离开关的合闸/分闸的控制原理相同，因此不再赘述。

本发明的开关操作机构的电机控制电路的实施例二：

如图5所示，本实施例通过不同接触器的动作来判断电机的正反转，通过接触器来启动1个磁保持双位置的继电器KL，通过该继电器的触点的切换，改变电机定子的接线，从而实现正确的制动。用于串励电机机构的驱动和制动过程如下，以DS合闸为例：

(1)电动过程：DS合闸命令给出，KE接触器带电。KE常开触点闭合，电机回路中的电流方向为L(+)-KE(1，2)-D1-D2-KE(3，4)-D3-D4-N(-)，电机正转，同时KE闭合后，KL的Set线圈带电，KL(13，14)，(23，24)闭合并保持。

(2)制动过程：DS合闸到位后，SL2断开，KE线圈断电，KE常开触点断开，常闭触点闭合。由于电机为感性负载，回路电流不突变，电流方向为：D1-D2-KA1(13，14)-KE1(13，14)-KE((13，14)-KA(13，14)-KL(13，14)-D4-D3-KL(23，24)-KA(23，24)-KE(23，24)-KE1(23，24)-KA1(23，24)-R-D1；与电动过程相比，制动过程中，由于KL双位置磁保持继电器的切换，在电机回路电动结束后，接触器线圈KE断电后，电机回路中的电流方向变为D1-D2-D4-D3。产生与电机转动相反方向的力，实现快速制动。

本发明的开关操作机构的控制器具有相应的输入输出接口，如图6所示，用于控制命令的输入和机构回路的接入，接口包括：电源接入、机构控制输入、驱动机构电机接口、微动开关接口等。在控制器内部设计操作机构电机运行的驱动回路，该驱动回路可通用使用交流、直流电源，控制电机转向不依赖于电源形式，而是通过控制不同接触器的投入，控制不同驱动回路的投入。

本发明用磁保持元件监测分、合接触器动作的方法来测量机构电机的转向，并形成记忆。根据所记忆的电机转向，在操作机构运行到达位置时，可以准确的投入反向的制动回路，确保机构快速停止。

本发明可以实现对采用串励电机机构的驱动，具备制动功能，可以同时适用于交流和直流电源。用于直流有刷永磁电机驱动的机构时，只需短接图4中的接口D3'，D4'。采用本发明电机控制电路的三工位隔离接地开关操作机构控制器，可应用于现有的三工位电动机构的控制，使得可以在直流电源和交流电源的工况下都能工作，简化机构的机械结构，提高机构的可靠性。

Claims (3)

1.一种开关操作机构的电机控制电路，其特征在于，包括由第一合闸常开触点、第一接口、第二接口、第二合闸常开触点、第三接口、第四接口依次串联的第一支路，所述第一合闸常开触点、第一接口、第二接口的两端并联有第一分闸常开触点，所述第一接口、第二接口和第二合闸常开触点的两端并联有第二分闸常开触点；所述第一接口、第二接口用于串接电机转子绕组或短路，所述第三接口、第四接口用于串接电机定子绕组或短路；

所述电机控制电路还包括第二支路，第二支路包括第一开关模块(K1)和用于切换位置的第一开关(KL1)，其中，第一开关模块(K1)包括第三合闸常闭触点、及与其串联的第三分闸常闭触点，当合闸到位时，所述第二支路并联在第二合闸常开触点、第三接口、第四接口的两端，当分闸到位时，所述第二支路并联在第二合闸常开触点的两端；

所述电机控制电路还包括第三支路，第三支路包括第二开关模块(K2)和用于切换位置的第二开关(KL2)，其中，第二开关模块(K2)包括第四合闸常闭触点、及与其串联的第四分闸常闭触点，当分闸到位时，所述第三支路并联在第一接口、第二接口、第二合闸常开触点、第三接口、第四接口的两端，当合闸到位时，所述第三支路并联在第一接口、第二接口、第二合闸常开触点的两端；所述第二支路和/或第三支路上还串设有制动电阻。

2.根据权利要求1所述的开关操作机构的电机控制电路，其特征在于，所述第一合闸常开触点并联有第一接地常开触点，第二合闸常开触点并联有第二接地常开触点，所述第一分闸常开触点并联有第一不接地常开触点，第二分闸常开触点并联有第二不接地常开触点；

所述第一开关模块(K1)还串设有第三接地常闭触点、第三不接地常闭触点，所述第二开关模块(K2)还串设有第四接地常闭触点、第四不接地常闭触点。

3.根据权利要求2所述的开关操作机构的电机控制电路，其特征在于，所述第一支路并联有第四支路，第四支路串设有第三开关模块(K3)、双位置继电器线圈；双位置继电器线圈的带电状态用于控制第一开关(KL1)和第二开关(KL2)进行位置切换；

第三开关模块(K3)包括相互并联的第五合闸常开触点、第五不接地常开触点、第五分闸常开触点、第五接地常开触点；其中，第五合闸常开触点和第五不接地常开触点并联后连接双位置继电器线圈的其中一个线圈，第五分闸常开触点和第五接地常开触点并联后连接双位置继电器线圈的另一个线圈。