CN110828224A - 一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，包括获取电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号；采用带速度反馈的电机矢量控制算法，产生矢量控制的PWM调制波形；对PWM调制波形进行电气转换，获得电气信号并进行IPM智能功率控制，输出三相PWM电压信号至所述电机。通过动态矢量控制操作机构电机运转的速度和转矩，精确牵引隔离开关动触头运行位置，使其在分合闸时与静触头近距离位置处加速运动，快速越过易产生电弧区域，从而达到避免隔离开关触头分合闸瞬间引起电弧烧伤触头的目的。
Description
技术领域
本发明涉及隔离开关技术领域，特别涉及一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法。
背景技术
变电站中，隔离开关一般指高压隔离开关，即额定电压在1kV及以上的隔离开关，是高压开关电器中使用最多的一种电器，它本身结构和工作原理都比较简单，但由于使用量大，工作可靠性要求高，对变电站的安全运行影响很大。变电站内一般在断路器前后各安装一组隔离开关，将断路器与电源隔离，形成明显的断路点，在需要检修时使不带电的部分和其他带电部分之间断开，以保证检修时工作的安全。隔离开关可用来检修与分段隔离利用隔离开关断口的可靠绝缘能力，使需要检修的电气设备与带电系统相互隔离，以保证被隔离的设备能安全地进行检修；改变运行方式在断口两端接近等电位的条件下，带电进行分/合闸，变换母线或其他不长的并联线路的接线方式，例如双母线电路的倒母线操作等；接通和断开小电流电路利用隔离开关断口在分开时电弧拉升和空气的自然熄弧能力，分/合一定长度的母线、电缆或架空线路的电容电流，以及分/合一定容量空载变压器的励磁电流；自动快速隔离开关具有自动快速分开断口的能力。这类隔离开关在一定的条件下能迅速隔离开已发生故障的设备和线路，达到节省断路器用量的目的。
高压隔离开关不用于开端电流，其在分合闸操作时都是处于断电状态，从原理分析是不会产生电弧的。但是经过变电站实地考察，在有些高电压等级的变电站隔离开关分合闸过程中，却会产生较大的容性电流，进而产生容性过电压，从而导致在动静触头分合至1米左右距离时产生电弧。电弧产生的高温对隔离开关动静触头导电部位造成烧伤，长时间运行导致接触电阻增大、触头发热，机构强度下降，最终导致触头被烧毁。触头在运行中被烧毁后，断点处形成放电将造成严重电气事故，危害其他电气设备，使事故扩大化，严重影响人身和设备安全。
因此，如何提供一种避免隔离开关触头分合闸瞬间引起电弧烧伤触头的基于矢量控制的隔离开关自动控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，通过动态矢量控制操作机构电机运转的速度和转矩，精确牵引隔离开关动触头运行位置，使其在分合闸时与静触头近距离位置处加速运动，快速越过易产生电弧区域，从而达到避免隔离开关触头分合闸瞬间引起电弧烧伤触头的目的。具体方案如下：
一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，用于实现隔离开关电动操作机构中电机的控制，包括如下步骤：
步骤一，获取电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号；
步骤二，采用带速度反馈的电机矢量控制算法，产生矢量控制的PWM调制波形；
步骤三，对所述PWM调制波形进行电气转换，获得电气信号并进行IPM智能功率控制，输出三相PWM电压信号至所述电机。
优选的，所述步骤一中，获取电机驱动输出电源的电流采样信号后，随电流采样信号依次进行CLARKE变换、PARK变换，然后经转矩及磁链控制器进行查表控制输出符合目标转速要求的直轴分量及正交的交轴分量。
优选的，所述步骤二具体包括：
对所述电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号进行PID控制计算；
经PID计算后的控制量依次进行PARK反变换、SVPWM电压矢量调制，得到矢量控制的PWM调制波形。
优选的，所述SVPWM电压矢量调制过程包括建立矢量控制模型：
将电机转子旋转周期根据空间矢量划分为六个扇区，并建立αβ轴坐标系；
结合矢量控制算法对各扇区的电压矢量分别进行调制。
优选的，在隔离开关合闸过程，所述SVPWM电压矢量调制控制电机状态变化为：加速、匀速、加速、减速提升力矩、制动；在隔离开关分闸过程，所述SVPWM电压矢量调制控制电机状态变化为：提升力矩和加速、降低力矩但加速、减速、匀速、制动
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明公开提供了一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，通过动态矢量控制操作机构电机运转的速度和转矩，精确牵引隔离开关动触头运行位置，使其在分合闸时与静触头近距离位置处加速运动，快速越过易产生电弧区域，有效避免触头被烧毁，进一步防止严重电气事故的产生，保障操作人员人身和设备安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法流程图；
图2为本发明双闭环矢量控制原理图；
图3为本发明隔离开关电路模型示意图；
图4为本发明隔离开关三维开关量示意图；
图5为本发明空间矢量扇区分析示意图；
图6为本发明基于矢量控制的隔离开关自动控制装置框图；
图7为本发明坐标变换原理图；
图8为本发明隔离开关结构示意图；
图9为本发明隔离开关电动操作箱内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
为了实现上述目的，本发明的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法主要包括如下步骤：
S1，获取电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号；获取电机驱动输出电源的电流采样信号后，随电流采样信号依次进行CLARKE变换、PARK变换，然后经转矩及磁链控制器进行查表控制输出符合目标转速要求的直轴分量及正交的交轴分量。
参见说明书附图2，转矩磁链控制器是通过查表实现，根据目标速度ω提供出所需的Ids、Iqs，以此来逼近目标转速。Ids、Iqs是由定子电流分解为与转子磁链同相的直轴分量Ids及正交的交轴分量Iqs。直轴电流Ids：用于产生磁场，与转子的磁场叠加，交轴电流Iqs：用于控制转矩，作用等同于直流电机的电枢电流。在应用中常设Ids＝0时，可得到最大转矩控制。
S2，采用带速度反馈的电机矢量控制算法，产生矢量控制的PWM调制波形。具体执行过程如下：
对电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号进行PID控制计算；
经PID计算后的控制量依次进行PARK反变换、SVPWM电压矢量调制，得到矢量控制的PWM调制波形。
电压矢量调制目的是产生一个符合预期的空间电压矢量，矢量U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。
参见说明书附图3，从隔离开关电路模型建立矢量控制数学模型，图中a/a’、b/b’、c/c’不能同时开，否则就是母线直通短路。其它的状态通过下表来表示(0/1表示关/开)：Ubus为图3逆变电路的母线电源电压。根据开关a/a’、b/b’、c/c’的组合控制，可得到相电压UAO、BAO、UCO和线电压UAB、UBC、UCA取值如下表。
表1隔离开关电路模型中的开关量分析表
| a | b | c | U<sub>AB</sub> | U<sub>BC</sub> | U<sub>CA</sub> | U<sub>AO</sub> | U<sub>BO</sub> | U<sub>CO</sub> |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | U<sub>BUS</sub> | 0 | -U<sub>BUS</sub> | 2U<sub>BUS</sub>/3 | -U<sub>BUS</sub>/3 | -U<sub>BUS</sub>/3 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | U<sub>BUS</sub> | -U<sub>BUS</sub> | U<sub>BUS</sub>/3 | U<sub>BUS</sub>/3 | -2U<sub>BUS</sub>/3 |
| 0 | 1 | 0 | -U<sub>BUS</sub> | U<sub>BUS</sub> | 0 | -U<sub>BUS</sub>/3 | 2U<sub>BUS</sub>/3 | -U<sub>BUS</sub>/3 |
| 0 | 1 | 1 | -U<sub>BUS</sub> | 0 | U<sub>BUS</sub> | -2U<sub>BUS</sub>/3 | U<sub>BUS</sub>/3 | U<sub>BUS</sub>/3 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | -U<sub>BUS</sub> | U<sub>BUS</sub> | -U<sub>BUS</sub>/3 | -U<sub>BUS</sub>/3 | 2U<sub>BUS</sub>/3 |
| 1 | 0 | 1 | U<sub>BUS</sub> | -U<sub>BUS</sub> | 0 | U<sub>BUS</sub>/3 | -2U<sub>BUS</sub>/3 | -U<sub>BUS</sub>/3 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
其中：
UAO＝Umcos(ωt)
UBO＝Umcos(ωt-120)
UCO＝Umcos(ωt+120)
U(t)＝UAO+UBO+UCO
UAO、UBO、UCO就是矢量U(t)在三相坐标轴(a，b，c)上的投影，Um是Um为相电压有效值，ω是旋转角频率，ω＝2πf。
SVPWM电压矢量调制过程包括建立矢量控制模型：将整个周期(物理意义上就是电机转子旋转周期，或者说输出交流周期)根据空间矢量划分为六个扇区，并建立αβ轴坐标系；结合矢量控制算法对各扇区的电压矢量分别进行调制；
使用三维开关量图形表示如图4所示。其中非零矢量U100、U110、U010、U011、U001、U110、U101幅值相同，模长为2UBUS/3，两个零电压矢量U000、U111为0，相邻的矢量间隔60度。分别分析欲得到电压矢量在这六个扇区的合成：
设欲得到电压矢量为Uref，在第I扇区中时，
Uref*Ts＝U4*T4+U6*T6，
Ts为矢量旋转夹角θ的时间，
│U4│＝│U6│＝2UBUS/3，可得到，
令
则
而零电压向量所分配的时间为T7＝T0＝(TS-T4-T6)/2或T7＝(TS-T4-T6)
为了产生实际的脉宽调制波形，需要对开关进行组合，对电压矢量合成在时间上构成序列，可以充分复用在静止坐标系(α,β)中的Uα,Uβ，空间矢量调制的第一步是判断由Uα和Uβ所决定的空间电压矢量Uref所处的扇区。假定合成的电压矢量落在第I扇区，可知其等价条件如下：0<arctan(Uβ/Uα)<60°。进一步分析，可看出参考电压矢量Uref所在的扇区完全由Uβ,3Uα-Uβ,-3Uα-Uβ三式决定，因此令
由说明书附图5，有
整理可得到
简化可得
同理可求得Uref在其它扇区中各矢量的作用时间。为了减少开关次数，矢量控制使用5段式。
表2各扇区开关矢量控制表
S3，对PWM调制波形进行电气转换，获得电气信号并进行IPM智能功率控制，输出三相PWM电压信号至电机。
需要进一步说明的是，由表2控制开关abc的闭合、开断，得到调制的PWM波形，经过驱动电路，转换成适用IPM模块的驱动信号。IPM是一智能逆变器集成电路，可以将直流电逆变为三相交流电，本设计将驱动PWM信号输入IPM模块，就可以得到需要的三相交流电。
本发明实施例还公开了一种基于矢量控制的隔离开关自动控制装置，包括控制隔离开关动触头转动的电机，电机控制模块使用智能功率模块(IPM)，采用矢量控制算法实现隔离开关电动操作机构中异步电机的精确控制。电机控制模块包括反馈单元、主控单元、驱动单元和IPM功率单元；主控单元接收反馈单元反馈的电机转速和转角位移信号和电机运行电流采样信号，采用带速度反馈的电机矢量控制算法处理电机控制命令，产生矢量控制的PWM调制波形；驱动单元将主控单元产生的PWM调制波形进行电气转换，输入IPM功率单元，产生三相PWM的电压提供给电机。
反馈单元包括：
交流电机编码器，安装在电机上，用于获取电机转速和转角位置信号；
霍尔传感器，安装在电机驱动输出电源回路上，用于获取电流采样信号；
坐标变换单元，CLARKE变换子单元输入端连接霍尔传感器，输出端连接PARK变换子单元，PARK变换子单元连接主控单元。
坐标变换理论可以降低马达方程计算的复杂性，参见说明书附图7，假设fax,fbx,fcx为三相瞬时变量，位于相移120度的a,b,c坐标上，fqx,fdx,f0x为其变换变量，位于正交坐标d,q上。
变换方程为，
其中，
Clarke变换：ω＝0，θ(0)＝0→θ＝0；应用于定子电流：ias，ibs，ics，
iα＝ias
iβ＝-(ias+2ibs)/√3
Park变换:ω＝ωr，θ(0)＝θr(0)→θ＝θr；应用于定子电流：iα，iβ
iqs＝iαcosθr-iβsinθr
ids＝iαsinθr-iβcosθr
Park反变换:ω＝-ωr，θ(0)＝θr(0)→θ＝-θr；应用于定子电压，Vqs，Vds
Vα＝Vqscosθr+Vdssinθr
Vβ＝-Vqssinθr+Vdscosθr。
主控单元包括：
转矩及磁链控制器，连接交流电机编码器和PARK变换子单元，用于接收电机转速和转角位置信号；
PID控制器，用于接收交流电机编码器反馈的电机运转速度信号和转角位置信号，以及经坐标变换的电机运行电流采样信号；
坐标反变换单元，PARK反变换子单元连接PID控制器；
SVPWM单元，连接PARK反变换子单元，进行SVPWM电压矢量调制，得到矢量控制的PWM调制波形；
说明书附图2所示的双闭环算法处理流程，在硬件形式上存在于主控单元中。
为了进一步优化上述技术方案，还包括信息交互单元，包括控制开关、状态信号灯和液晶显示屏；
控制开关控制操作机构中的电机正转和反转，从而控制隔离开关刀闸的合闸和分闸；
状态信号灯显示隔离开关各相刀闸的工作运行状态，开入、开出信号逻辑关系。
为了进一步优化上述技术方案，信息交互单元还包括开入开出逻辑模块，用于接收分合闸条件和闭锁信号等硬接点信息，输出隔离开关操作的动作、告警硬接点信号。
本实施例的实施过程如下：
参见说明书附图8，以剪刀式隔离开关为例分析，分闸过程是合闸的逆过程，其工作过程相反。因此以分析合闸动作过程为例：电动机构操作箱9带动操作杆转动，操作杆通过连杆8带动操作绝缘子7转动，操作绝缘子7带动顶部与之固定的拐臂转动，拐臂通过中间带有弹性装置的连杆推动左右转动轴5转动，左右转动轴5通过反向连杆实现两轴同步转动；合闸刚开始时，平衡弹簧4处于拉伸状态，在操作力和平衡弹簧4的拉力作用下，左右转动轴5同步转动使导电管向中间合拢，再经过活动关节、上导电管3，使动触头1、静触头2相接触完成合闸，合闸终了时，操作绝缘子7的上转臂被挡块6限位。在合闸动作临近结束时，操作绝缘子7顶部拐臂越过“死点”位置(拐臂与含有弹性装置的连杆成一条直线时)，在弹性装置的推动下与限位挡块6紧密接触，此时，弹性装置处于压缩状态，使导电闸刀承受推动力，可靠地保持在合闸位置并形成自锁。
基于矢量控制的隔离开关自动控制装置安装于隔离开关电动机构操作箱内，基于矢量控制的隔离开关自动控制装置控制电动机转动，通过电动机构的输出轴带动隔离开关刀闸连杆传动，电动机构操作箱内结构如图9所示。
分析隔离开关刀闸运行过程，分为起动加速—匀速—突变加速—转矩提升—制动五个阶段运行。系统投入运行前，应进行多次试验，确保隔离开关合闸后动触头能与静触头紧密接触。调试人员在系统安装调试时进行多次实验获取动触头运行轨迹，和运行过程操作机构电机转动角度、速度、转矩数据。在起动加速阶段，动触头由静态转变为动态，电机12起动转矩较大，速度较慢；刀闸起动完毕，记录电机12由加速变为匀速状态拐点时电机12转动的角度位移P1，电机12进入匀速运转阶段，转矩较小，速度较快；在动触头距离静触头约1米时，记录状态拐点时电机12转动的角度位移P2，电机12快速提转速，刀闸运行加速，此阶段电机运转呈现速度增大状态；当操作绝缘子顶部拐臂越过“死点”位置，记录电机12转动的角度位移P3，从此处开始电机速度减小，转矩提升，使动触头运动得以克服静触头上阻力，快速插入静触头，完成合闸，此阶段电机12运转呈现短暂的速度减小、转矩提升状态；当合闸动作临近结束时，操作绝缘子顶部拐臂越过“死点”位置，在弹性装置的弹力推动下，与限位挡块紧密接触，记录拐臂越过“死点”位置时电机转动的角度位移P4，电机12快速制动，以免触头冲撞引起闸嘴开裂。直到动触头与静触头紧密接触后电机12应停止运行，记录此时电机12转动的角度位移P5。因此合闸过程操作机构电机12的操作转角位移为:0→P1→P2→P3→P4→P5，状态变化为：加速→匀速→加速→减速提升力矩→制动→合闸停止。本发明引入合闸限位开关14，安装于电动机构操作箱内，动触头行程中与静触头接触时向系统发一合闸完成信号，此时电机运行应到达角度位移P5处，此引入行程开关用以校验电机按算法运行的位移与实际运行位移，保证合闸完成，动触头与静触头紧密接触。当发生P5与行程开关位置不一致时，系统发出警示信号，运维人员需重新校验系统角度位移和行程开关位置。
合闸完成后电机应停止运行，若因合闸限位开关14位置有误或行进过程中电机发生堵转，电机持续运转，易引起动、静触头抵触开裂、绝缘子拐臂变形，因此电机控制模块加入智能电机保护，当动触头抵达合闸位置，由于挡块限位不能继续前进，电机运行形成堵转，运行电流明显增大，因此电机控制模块判断电机堵转跳闸保护使电机12停止，防止保护动触头过度前进。
隔离开关分闸运行过程与合闸过程相反，电机12反转，经过分析，分闸拉开触头需要克服弹簧装置阻力，动、静触头接触阻力，电机12起动转矩较大，越过“死点”位移P4后，刀闸转动加快，动触头运动快速越过拉弧区域，之后，动触头速度减小，匀速运转，直到刀闸回到起始位置转角位移0，电机12快速制动，刀闸停止。因此分闸过程操作机构电机的操作转角位移为:P5→P4→P3→P2→P1→0，状态变化过程为：提升力矩和速度→降低力矩但加速→减速然后匀速→制动→分闸停止。系统标记分闸完成时角度位移为0，电机到达0位后停止反转，分闸完成。
在分合闸过程中，隔离开关操作机构自动控制装置的信息交互单元接触操作命令，电机控制模块判断由开入开出逻辑模块输入的分合闸条件是否为允许，当条件允许时，按上面分析分合闸过程逻辑和根据电机控制模块中反馈单元反馈的转速和角度位移，自动调节驱动操作机构电机12的电压电流输出，从而调节隔离开关动触头运行的速度和转矩大小。同时装置引入电机保护技术，对操作机构电机12进行多种电机保护，保障隔离开关安全运行，在发生故障时，装置通过信息交互单元给远方控制室发出告警信号。
以上对本发明所提供的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (5)
1.一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，用于实现隔离开关电动操作机构中电机的控制，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号；
步骤二，采用带速度反馈的电机矢量控制算法，产生矢量控制的PWM调制波形；
步骤三，对所述PWM调制波形进行电气转换，获得电气信号并进行IPM智能功率控制，输出三相PWM电压信号至所述电机。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，其特征在于，所述步骤一中，获取电机驱动输出电源的电流采样信号后，随电流采样信号依次进行CLARKE变换、PARK变换，然后经转矩及磁链控制器进行查表控制输出符合目标转速要求的直轴分量及正交的交轴分量。
3.根据权利要求1所述的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
对所述电机转速和转角位置信号以及电机驱动输出电源的电流采样信号进行PID控制计算；
经PID计算后的控制量依次进行PARK反变换、SVPWM电压矢量调制，得到矢量控制的PWM调制波形。
4.根据权利要求3所述的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，其特征在于，所述SVPWM电压矢量调制过程包括建立矢量控制模型：
将电机转子旋转周期根据空间矢量划分为六个扇区，并建立αβ轴坐标系；
结合矢量控制算法对各扇区的电压矢量分别进行调制。
5.根据权利要求3所述的一种基于矢量控制的隔离开关自动控制方法，其特征在于，在隔离开关合闸过程，所述SVPWM电压矢量调制控制电机状态变化为：加速、匀速、加速、减速提升力矩、制动；在隔离开关分闸过程，所述SVPWM电压矢量调制控制电机状态变化为：提升力矩和加速、降低力矩但加速、减速、匀速、制动。
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|---|---|---|---|---|
| CN114024467A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-02-08 | 太原重工股份有限公司 | 利用电机自带的保护装置的位置控制方法 |
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| CN109980998A (zh) * | 2019-04-25 | 2019-07-05 | 广东金霸智能科技股份有限公司 | 一种永磁同步电机的控制方法、装置及电机系统 |
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2019
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