CN107622927A - 高压断路器电机操动机构控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器电机操动机构控制系统和控制方法，属于短路设计技术领域。本发明的高压断路器电机操动机构控制系统包括储能电容模块、IGBT模块、检测电路模块、隔离驱动模块、控制电路模块以及监控模块；本发明的高压断路器电机操动机构控制方法将对电动机的控制分成三个阶段，包括起动阶段、恒速阶段和缓冲阶段，在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制。本发明的高压断路器电机操动机构控制系统提高了断路器操动机构的智能化。电机操动机构相比传统操动机构具有更高的可控性，在高压断路器的智能化操作、同步关合、降低过电压方面更加容易满足智能电网建设的要求。

Description

高压断路器电机操动机构控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于短路设计技术领域，具体涉及一种高压断路器电机操动机构控制系统。

背景技术

高压断路器是电力系统中重要的保护和控制设备，操动机构是断路器的重要组成部分之一，其运动性能直接影响灭弧室开断电流的能力。目前常见的操动机构主要有弹簧操动机构、电磁操动机构、气动操动机构以及液压操动机构等。传统的操动机构采用弹簧或压缩空气来存储控制操动机构动作过程所需的能量，其零部件较多、机械结构复杂、累计运动公差大且无法实现对操动过程的调节和控制。新型的电机操动机构通过控制电机转角来控制动触头行程，不仅实现断路器负载反力与机构出力的匹配，提高能量的使用效率，同时提高断路器操动机构智能化，符合高压断路器的发展方向。

目前高压断路器的操动机构大多采用弹簧、电磁、气动及液压等机构，传统的操动机构都只按照预定的一种分合闸方式设计，动作过程不可控。针对根据电网所处的不同状态和不同故障类型，以及断路器实际开断不同电路参数和不同负载分合闸特效的情况，高压断路器的动触头分合闸过程对应不同的理想运动特性曲线。

发明内容

为实现断路器不同的分合闸位移曲线，本发明基于一种永磁同步电机操动机构，设计其控制系统，通过电力电子器件和微控制器控制电机获取理想触头运动轨迹运动，控制过程中采用一种修改位移给定值的分段控制方法，实现对高压断路器操动过程的调节和控制，从而实现更好的分合闸特性。

本发明首先提供一种高压断路器电机操动机构控制系统，包括储能电容模块、IGBT模块、检测电路模块、隔离驱动模块、控制电路模块以及监控模块；储能电容模块提供断路器动作所需的能量；检测电路模块通过霍尔元器件检测电压电流信号，经由滤波电路转换成控制信号输入控制电路模块，控制电路模块根据监控模块获得电网所处的故障类型以及分合闸动作曲线，产生PWM信号到隔离驱动模块的驱动电路，隔离驱动模块发送门极信号给IGBT模块，控制IGBT模块的导通和关断，从而驱动电动机的旋转，实现对断路器的控制；监控模块通过PC计算机以及通信接口和控制电路模块相连，获得断路器的动触头行程信号，以便于检修查看和事故鉴定。

本发明还提供一种高压断路器电机操动机构控制方法，所述的控制方法将对电动机的控制分成三个阶段，包括起动阶段、恒速阶段和缓冲阶段，在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制。

本发明的优点在于：

(1)高压断路器电机操动机构控制系统提高了断路器操动机构的智能化。它通过检测电网中的电流、电压信号，确定当前电网的状态和故障类型，然后调用对应状态和故障类型下的重要参数，作为分段控制过程的分段和控制指标中，机构出力可以匹配负载反力，提高其分、合闸能力。

(2)电机操动机构的操作方式可依据高压断路器分合闸不同阶段的速度操作特性要求输出不同的操作特性。

(3)电机操动机构相比传统操动机构具有更高的可控性，在高压断路器的智能化操作、同步关合、降低过电压方面更加容易满足智能电网建设的要求。

附图说明

图1为本发明的电机操动机构控制系统结构示意图。

图2为变压器升压充电电路。

图3为霍尔电流传感器电路结构。

图4为霍尔电压传感器电路结构。

图5为RC低通滤波器电路图。

图6为控制电路模块采用DSP最小系统电路及结构框图。

图7为2SC0108T接口电路原理图。

图8为本发明的一种高压断路器电机操动机构控制方法流程图。

图9为中断子程序运行流程图。

图10为位移给定分段控制策略说明图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种高压断路器电机操动机构控制系统，所述的高压断路器电机操动机构控制系统如图1所示，包括储能电容模块、IGBT模块、检测电路模块、隔离驱动模块、控制电路模块以及监控模块。

储能电容模块提供断路器动作所需的能量；检测电路模块通过霍尔元器件检测电压电流信号，经由滤波电路转换成控制信号输入控制电路模块，控制电路模块根据监控模块获得电网所处的故障类型以及分合闸动作曲线，产生PWM信号到隔离驱动模块的驱动电路，隔离驱动模块发送门极信号给IGBT模块，控制IGBT模块的导通和关断，从而驱动电动机的旋转，实现对断路器的控制。监控模块通过PC计算机以及通信接口和控制电路模块相连，获得断路器的动触头行程信号，以便于检修查看和事故鉴定。

储能电容模块的电容容量为0.027F，初始电容工作电压U₀值800V，采用整流电路将变电站提供的220V交流电直接升压到580V交流电，如图2所示，然后经整流桥变化为直流，经过限流电阻R对电容C进行充电。

参考弹簧操动机构的储能操作时间，对于电机操动机构储能电容从0V到800V的充电时间T设置为10s，因此，对限流电阻R的阻值和功率的计算如下：

整个充电过程中，电阻产生的热能为：

结合充电过程中电流i和电压U关系：即

得：

操动机构进行寿命试验时的动作周期T_min为30s一次，故电阻的功率选取为：

RC(表示乘积)充电完成时间按T＝4RC计算，则电阻阻值为：

检测电路模块：需要采集储能电容C两端的电压和电机三相绕组的电流。电压和电流分别经过电压测量传感器和电流测量传感器，变换成与之成比例的低压信号量，再经过滤波电路滤除高次谐波，送入模数转换电路。经过模数转换后，模拟信号量转换为可被DSP读取的数字量，参与运算。

霍尔传感器的主要优点有：原边电路和副边之间通过磁特性转换信号，可以起到很好的电气隔离功能；精度高，在工作温度区内，测量精度达到0.5％；线性度好；过载能力强，当原边电流超过额定值时，霍尔模块将达到饱和，可保护模块，不致损坏等。

电流测量采用CHB-500TG型霍尔电流传感器完成，如图3所示，其原边额定电流为500A，副边额定输出电流为100mA。R_M＝499Ω，即原边电流为500A时，对应输出电压信号为5V。

电压测量采用CHV-50P型霍尔电压传感器，其本质是一个电流传感器，原理是将电压信号通过高阻值高精度电阻转换成小电流，变送到副边，再通过测量电阻将副边输出电流转换成电压信号。该型号霍尔电压传感器的额定输入电流为10mA，额定输出电流为50mA。电压测量电路原理图如图4所示，R₁＝100kΩ、R_M＝1kΩ，即被测电压为1000V时，对应输出电压信号为5V。

霍尔传感器输出的电压电流转换信号中，包含由高速开关导致的高频谐波和干扰信号，因此需设计滤波器将谐波和干扰信号滤除。采用RC低通滤波电路，如图5所示。为了滤除开关频率对电压信号和电流信号采集的影响，因此RC低通滤波器的截止频率需小于IGBT的开关频率，本发明的IGBT模块的开关频率设置为10kHz，所以在RC低通滤波器中，电阻R为1kΩ，电容C为100nF，计算得到截止频率为1.6kHz。

控制电路模块：控制电路模块以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为核心，根据永磁同步电动机的矢量控制算法，产生控制IGBT开关的PWM信号驱动电动机。

TMS320F28335芯片是TI公司推出的一款浮点DSP控制器。它具有150MHz的高速处理能力，指令周期为6.67ns，内含高性能的32位CPU，有单精度浮点运算单元(FPU)，并具有两个16×16位乘法累加器。它包含256K×16位的片内Flash存储器，包含一个34K×16的SARAM。值得一提的是，TMS320F28335数字信号处理器有专门针对商业和工业设备中电力电子系统使用的增强型脉冲宽度调制器ePWM，且每个完整的PWM通道由两个PWM输出端口组成，构成一个功率桥上下桥臂的驱动信号。该芯片的ePWM功能还具有死区延迟控制、硬件同步相位锁定等功能，使得该控制芯片广泛应用于电机控制、逆变电路等场合。

为了实现最小控制系统的通用化和模块化功能，将TMS320F28335数字信号处理器最小系统独立成一个部分，与主控板通过插接件连接。该最小系统主要包括时钟电路、电源转换、外部看门狗、外部存储器、JTAG接口、配置阻容等，其硬件电路及结构框图如图6所示：

其中，时钟电路由30MHz石英晶振和配置电容组成，该晶振输出通过DSP内部的PLL锁相环倍频到150MHz，为最小系统提供时钟节拍。电源转换单元为DSP的内核和I/O引脚提供电压，其内核需求为1.9V，I/O需求为3.3V，因此，电源转换部分采用一片LM1117S-3.3和一片AMS1117-1.8分别实现5V到3.3V和3.3V到1.8V的电压转换。外部看门狗电路采用MAXIM公司的MAX706芯片作为看门狗控制芯片，用于监控微处理器的活动，如果在1.6s内看门狗芯片没有收到微处理器发来的喂狗信号，则MAX706将发出复位信号，复位微控制器。看门狗电路可以在DSP由于外界磁场干扰而出现程序跑飞情况下，复位DSP，使其在无人的状态下连续工作，也可在看门狗电路中加入手动复位功能，方便程序调试。外部存储器可以用于存储调试过程中的固定参数，并且可记录系统运行过程中的重要数据。本最小系统采用FM24CL04串行铁电存储器，它有512×8位存储空间，采用I2C总线读写数据，具有擦写次数无限制、无写数据延迟等功能。

隔离驱动模块：从控制电路模块输出的PWM控制信号到IGBT模块的开通和关断，中间需要进行电信号隔离和功率放大的驱动电路。本发明采用Power Integrations公司的2SC0108T驱动器作为IGBT驱动的核心部件。2SC0108T是一款集成度高、低功耗、高可靠性的SCALE-2双驱动通道驱动器，具有广阔的应用平台。其供电电源为15V，逻辑输入电平兼容3.3～15V信号，通用性好；同时门极输出导通电压电平为15V，关断电压为-8V，单通道驱动功率为1W，最大驱动电流为8A，可驱动600A/1 200V的IGBT[43]。该驱动芯片具有短路保护、过流保护、电源监控等功能，且抗电磁干扰特性优良。图7为PWM控制信号与2SC0108T驱动器连接原理图，2SC0108T驱动器有两种工作模式：直接模式和半桥模式。直接模式下，输入信号INA和INB独立控制两个通道；半桥模式下INA为驱动信号，INB为使能信号，本发明中2SC0108T驱动器工作方式为直接模式。

IGBT模块：本发明选择绝缘栅双极晶闸管(IGBT)作为三相桥的开关管。IGBT是近年来出现的新型复合器件，它将单极性器件快速性和双极型器件导通电阻小的优点集于一身，使其性能更加优越，具有开关速度快、通态电压低、承受电流大等优点，成为目前电力电子开关器件中在较大功率领域应用最为广泛的开关器件。本发明设计的母线端储能电容的初始放电电压为800V，仿真结果表明电机三相绕组电流最大值为300A，考虑电流与电压的安全工作裕量，选择英飞凌公司的IGBT模块，型号为FZ900R12KE4，其额定电压为1200V，额定电流为900A，单个模块集成一个IGBT与一个反并联二极管。

监控模块：监控模块通过串口通信接口获得控制电路模块中存储的动触头的行程曲线以及电机转角曲线，同时监控模块的计算机将分合闸动作指令通过串口通信接口传输给控制电路模块。电动机的转子位置通过安装在转轴上的光电编码器获得，断路器的动触头行程由行程传感器检测，PC与控制电路模块的数据通信通过RS485总线进行传输。

应用所述的高压断路器电机操动机构控制系统，本发明还提供一种高压断路器电机操动机构控制方法，可以实现如下的控制方法：

如图8所示流程，控制电路模块中的控制电路上电复位之后，首先进行系统初始化的操作，初始化完成之后，综合电机转角测量传感器采集并发送过来的位置信号和分合闸限位开关信号，得到高压断路器目前所处的状态，并输出PWM信号作为分/合的指示信号。

然后检测电路模块对储能电容模块中的电容两端电压进行监测，判断当前电机操动机构的储能是否能够进行一次分/合闸，如果储能不够(母线电压低于阈值)，则输出报警指示，封闭操动触发。之后判断是否收到分/合闸动作的触发动作信号，如果没有收到分/合闸信号，则结束；如果收到分/合闸信号，则通过串行通信端口或者外接传感器获取当前电网的状态信息，根据电网当前的状态计算或者选取最优的分/合闸动作曲线，作为此次动作的跟踪信号。然后对后续电机伺服控制的相关参数进行复位操作后，启动中断程序，进行触头运动轨迹的跟踪控制。等待分合闸动作结束后，将此次动作过程中记录到的轨迹数据存储在本地FLASH中。

如图9所示，所述的中断子程序进行触头运动轨迹的跟踪控制具体为：每隔一个定时周期运行一次。

通过传感器测量得到电机转子实际位移值，同时通过计算得到电机转子实际转速值，通过指令获得运动轨迹曲线的当前时刻的位移给定值。实际位置值与位置给定值进行比较，得到位置环PI调节模块的输入，运行位置环PI调节模块得到的输出为电流环PI调节模块的给定值，采样得到电机绕组电流电压值通过Clark、Park变换得到电流环PI调节模块的实际值，电流实际值与电流给定值进行比较，得到电流环PI调节模块的输出，电流环PI调节模块的输出通过Park反变换转换到静止坐标系下的输出电压矢量，经过SVPWM调制，最终获得三个桥臂的占空比信号输出，中断程序结束。

本发明采用修改位移给定值的分段控制方法，即通过修改中断子程序运行流程图中的根据指令取相应的运动轨迹曲线模块。

由于目前对于触头的最优运动轨迹无明确说明，为工程应用中简便实现对电机操动机构的全过程控制，根据电机操动机构不同运动阶段的控制要求，将运动过程分为三个阶段，包括起动阶段、恒速阶段、缓冲阶段，在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制。

1、起动阶段控制：起动阶段定为从给出合闸动作指令到电机转速达到高压断路器要求的合闸转速为止。起动阶段位移给定时需要改善滞后现象，减轻起动延迟时间过长对合闸时间的影响。本发明给出一种增加给定量的方式，即起动阶段位移给定曲线采用二次函数模型，其表达式如式(1)中OA所示。式中的系数a、b影响位移给定曲线的陡峭程度，t为时间。通常选取起动阶段位移给定曲线斜率时，选取相对于断路器要求的速度指标较陡的位移给定曲线模型，以缩短起动阶段时间，提高起动阶段的快速性。

2、恒速阶段控制：恒速阶段定为从电机达到速度指标直至动触头运动到刚合位置时的电机转角s为止。恒速阶段要求电机运动速度尽量保持稳定，因此在选取给定量时，该阶段位移给定曲线以一次函数的形式给出，如式中(OB)所示，式中的系数c即为高压断路器要求的电机转角转速。

3、缓冲阶段控制：缓冲阶段从刚合位置(电机转角s)到电机运动到合闸位置(电机转角S0)为止。动静触头的碰撞导致缓冲阶段出现抖振，因此选取位移给定曲线时，拟采用陡峭程度相对于起动阶段和恒速阶段较缓的一次函数模型，如式中(O'C)所示，曲线的陡峭程度由系数d决定。运动过程中系统不断监测电机转子的位移和速度以实现三个控制阶段中位移给定曲线的切换，三条曲线以突降的形式直接切换。通常选取起动阶段位移给定曲线斜率时，选取相对于断路器要求的速度指标较缓的位移给定曲线模型(即d<c)，以改善缓冲阶段的抖振现象。

基于所建立的电机转角位移给定-时间函数，选取一组系数绘出的合闸过程电机转角位移给定曲线如图10所示，OA段为起动阶段第一条曲线，OB段为恒速阶段第二条曲线，O'C为缓冲阶段第三条曲线。假设t＝t1时刻，位移给定值为D，动触头达到断路器要求的合闸速度，直接切换到该时刻恒速阶段对应的起始点D'。t＝t2时刻，位移给定为E，动触头运动到刚合位置s，系统自动将缓冲阶段第三条曲线平移到该时刻作为位移给定曲线。因此，合闸过程位移给定曲线为OD-DD'-D'E-EE'-E'C。

综上所述，位移分段控制策略首先需获取断路器要求的性能指标，然后系统自动生成位移给定曲线并在控制过程中自动切换，实现对不同阶段电机转角的调节，切换过程中判别条件识别简单，易于工程实现。此外，对于不同的断路器参数可以通过设置其特有的比较值以实现，为电机操动机构进一步智能化操作提供可能。

Claims (9)

1.高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：包括储能电容模块、IGBT模块、检测电路模块、隔离驱动模块、控制电路模块以及监控模块；

储能电容模块提供断路器动作所需的能量；检测电路模块通过霍尔元器件检测电压电流信号，经由滤波电路转换成控制信号输入控制电路模块，控制电路模块根据监控模块获得电网所处的故障类型以及分合闸动作曲线，产生PWM信号到隔离驱动模块的驱动电路，隔离驱动模块发送门极信号给IGBT模块，控制IGBT模块的导通和关断，从而驱动电动机的旋转，实现对断路器的控制；监控模块通过PC计算机以及通信接口和控制电路模块相连，获得断路器的动触头行程信号，以便于检修查看和事故鉴定。

2.根据权利要求1所述的高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：

储能电容模块的电容容量为0.027F，初始电容工作电压U₀值800V，采用整流电路将变电站提供的220V交流电直接升压到580V交流电，然后经整流桥变化为直流，经过限流电阻R对电容C进行充电。

3.根据权利要求1所述的高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：

检测电路模块，需要采集储能电容C两端的电压和电机三相绕组的电流；电压和电流分别经过电压测量传感器和电流测量传感器，变换成与之成比例的低压信号量，再经过滤波电路滤除高次谐波，送入模数转换电路；经过模数转换后，模拟信号量转换为可被DSP读取的数字量，参与运算。

4.根据权利要求1所述的高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：

控制电路模块以TMS320F28335数字信号处理器DSP为核心，根据永磁同步电动机的矢量控制算法，产生控制IGBT开关的PWM信号驱动电动机；TMS320F28335数字信号处理器最小系统独立成一个部分，与主控板通过插接件连接；该最小系统包括时钟电路、电源转换、外部看门狗、外部存储器、JTAG接口和配置阻容。

5.根据权利要求1所述的高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：

隔离驱动模块采用2SC0108T驱动器作为IGBT驱动的核心部件；2SC0108T驱动器工作模式为直接模式。

6.根据权利要求1所述的高压断路器电机操动机构控制系统，其特征在于：IGBT模块选择绝缘栅双极晶闸管作为三相桥的开关管。

7.一种高压断路器电机操动机构控制方法，其特征在于：

控制电路模块中的控制电路上电复位之后，首先进行系统初始化的操作，初始化完成之后，综合电机转角测量传感器采集并发送过来的位置信号和分合闸限位开关信号，得到高压断路器目前所处的状态，并输出PWM信号作为分/合的指示信号；

然后检测电路模块对储能电容模块中的电容两端电压进行监测，判断当前电机操动机构的储能是否能够进行一次分/合闸，如果储能不够，则输出报警指示，封闭操动触发；之后判断是否收到分/合闸动作的触发动作信号，如果没有收到分/合闸信号，则结束；如果收到分/合闸信号，则通过串行通信端口或者外接传感器获取当前电网的状态信息，根据电网当前的状态计算或者选取最优的分/合闸动作曲线，作为此次动作的跟踪信号；

然后对后续电机伺服控制的相关参数进行复位操作后，启动中断程序，进行触头运动轨迹的跟踪控制；

等待分合闸动作结束后，将此次动作过程中记录到的轨迹数据存储在本地FLASH中。

8.根据权利要求7所述的一种高压断路器电机操动机构控制方法，其特征在于：

所述的中断子程序进行触头运动轨迹的跟踪控制，每隔一个定时周期运行一次；

通过传感器测量得到电机转子实际位移值，同时通过计算得到电机转子实际转速值，通过指令获得运动轨迹曲线的当前时刻的位移给定值；实际位置值与位置给定值进行比较，得到位置环PI调节模块的输入，运行位置环PI调节模块得到的输出为电流环PI调节模块的给定值，采样得到电机绕组电流电压值通过Clark、Park变换得到电流环PI调节模块的实际值，电流实际值与电流给定值进行比较，得到电流环PI调节模块的输出，电流环PI调节模块的输出通过Park反变换转换到静止坐标系下的输出电压矢量，经过SVPWM调制，最终获得三个桥臂的占空比信号输出，中断程序结束。

9.根据权利要求7所述的一种高压断路器电机操动机构控制方法，其特征在于：所述的控制方法将对电动机的控制分成三个阶段，包括起动阶段、恒速阶段和缓冲阶段，在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制，具体为：

起动阶段控制：起动阶段定为从给出合闸动作指令到电机转速达到高压断路器要求的合闸转速为止；起动阶段位移给定曲线采用二次函数模型，其表达式如式(1)中OA所示，式中的系数a、b影响位移给定曲线的陡峭程度，t为时间；

<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msup> <mi>at</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>O</mi> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>O</mi> <mi>B</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>s</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>O</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>C</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

恒速阶段控制：恒速阶段定为从电机达到速度指标直至动触头运动到刚合位置时的电机转角s为止；该阶段位移给定曲线以一次函数的形式给出，如式中(OB)所示，式中的系数c即为高压断路器要求的电机转角转速；

缓冲阶段控制：缓冲阶段从刚合位置到电机运动到合闸位置为止；位移给定曲线选取一次函数模型，如式(1)中(O'C)所示，曲线的陡峭程度由系数d决定；运动过程中系统不断监测电机转子的位移和速度以实现三个控制阶段中位移给定曲线的切换，三条曲线以突降的形式直接切换。