CN114420512A - 一种电机驱动高压断路器及其驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机驱动高压断路器及其驱动系统，为了充分利用副分在检测到故障时的作用，增加断路器在电网中的保护功能，本发明在高压断路器电机驱动系统中增加一套智能功率驱动模块和对应的驱动电机，保证了电机驱动断路器产品在主分线路出现故障的情况下，能够可靠实现断路器的副分，从而保护电网的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机驱动高压断路器及其驱动系统，属于高压智能断路器技术领域，尤其涉及一种伺服电机操动机构的驱动系统。
背景技术
国内外高压断路器产品的智能技术，通过综合应用通信，计算机和控制技术，运用传感器，控制器对高压开关进行技术升级，实现了一二次的融合创新和状态感知，通过从模拟接口到全数字接口的升级，为产品的智能化奠定了一定的技术保证；产品的智能化运作，即根据产品运行时的状态信息(电流，电压，功因数等参数)及各参数之间的关系来确定所需开断速度的大小，自动调节和控制断路器合适的分合闸速度；传统的高压开关，使用的是机械式液压机构，弹簧机构等，其分合闸动作特性曲线单一，不能实现实际电路参数变化时，其动作特性也作相应的变化。
目前从平高集团研制的110KV电机驱动机构断路器，到国外例如ABB公司等高新技术企业达到800KV技术水平的电机驱动机构，在技术上均实现了断路器的数字控制。但是，无论国内外的电机驱动机构断路器都有一致命弱点，如图1所示的现有技术的电机驱动系统，由于电机驱动系统对伺服电机的智能保护，在驱动控制回路出现欠压、过热、过流、短路等故障时，用于实现智能保护的功率驱动模块将封锁用作逆变电路的IGBT门极驱动回路，导致驱动断路器本体(动触头)的永磁同步电机将不能运转，断路器的主副分闸操作将中断，从而造成电网故障的发生。
传统的国内外高压断路器，无论是液压机构还是弹簧机构，都是机械储能，储能后通过电磁铁控制回路，实现断路器的分合闸；其中，为了防止分闸电磁铁烧毁，设置了两条分闸控制回路，一条为主分闸回路，一条为副分闸回路，互为冗余备份；一旦主分闸回路出现故障，副分闸回路一定要实现断路器的分闸，这样就保证电网的安全运行。
但对于目前最先进的电机驱动机构断路器来说，由于上述致命弱点的存在，当驱动控制回路出现故障导致IGBT门极驱动回路被封锁时，即使有主副分/合闸命令互为备份，但由于永磁同步电机不能运转，导致断路器的分合闸操作无法进行，导致电网故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种电机驱动高压断路器及其驱动系统，用以解决电机驱动机构断路器驱动控制回路故障时，主/副分闸操作中断导致电网故障的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种电机驱动高压断路器的驱动系统，包括控制器和至少两路电机驱动模块，以及与电机驱动模块一一对应的驱动电机，驱动电机用于传动连接断路器本体以实现断路器本体的分合闸；所述控制器分别与电机驱动模块连接，电机驱动模块的功率输入端口连接储能单元，电机驱动模块的功率输出端口连接驱动电机；所述控制器用于接收主分/合命令和副分/合命令并根据电网参数生成PWM驱动信号，根据主分/合命令生成的PWM信号输出给一路电机驱动模块，根据副分/合命令生成的PWM信号输出给另一路电机驱动模块，对应的电机驱动模块根据对应的PWM信号生成驱动电流控制驱动电机转动以实现分/合闸。
现有技术的电机驱动高压断路器若因电机或驱动器电子元件出现故障，难以像传统的弹簧、碟簧等机构，通过副分实现动作，本发明将因智能监控出现故障而不能动作的元器件进行备份，以避免驱动器和电机之间的驱动控制回路出现故障导致逆变电路功率器件被锁死时，断路器无法分合闸而造成的电网故障，提高了断路器的可靠性。
进一步的，所述电机驱动模块采用IPM驱动器，包括PWM驱动模块和受PWM驱动模块控制的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接功率输入端口，逆变电路的输出端连接功率输出端口。
进一步的，所述控制器包括单片机控制器、DSP处理器和CPLD控制器，所述单片机控制器根据接收到的分/合命令生成分/合闸信号，所述CPLD控制器根据电网中断路器所在的主母线的电流、电压技术参数计算确定分合闸速度，DSP处理器根据分合闸速度得到对应的驱动电机所需速度的PWM信号输出给对应电机驱动模块的PWM驱动模块，PWM驱动模块生成门极信号控制逆变电路输出对应的操作功。
CPLD在对输入输出信号进行逻辑控制时，不需要执行指令和程序，不需要执行循环扫描，没有“指令周期”的概念，输入信号仅通过CPLD芯片逻辑门阵列的不同组合来控制输出信号，系统对输入信号的相应时间仅取决于门阵列的传输延时，在断路器分闸控制中，能大大加快分合闸速度的计算。
同时，通过DSP处理器根据需求分合闸速度生成脉宽调制波PWM，电动机在数字信号处理器DSP的控制下，根据实际运行情况选择断路器行程曲线，采用电机的速度和位置的双闭环控制方式，从而实现机构的操动速度和操作时间的控制。
本发明的一种电机驱动高压断路器，包括断路器本体、控制器和至少两路电机驱动模块，以及与电机驱动模块一一对应的驱动电机，驱动电机传动连接断路器本体以实现断路器本体的分合闸；所述控制器分别与电机驱动模块连接，电机驱动模块的功率输入端口连接储能单元，电机驱动模块的功率输出端口连接驱动电机；所述控制器用于接收主分/合命令和副分/合命令并根据电网参数生成PWM驱动信号，根据主分/合命令生成的PWM信号输出给一路电机驱动模块，根据副分/合命令生成的PWM信号输出给另一路电机驱动模块，对应的电机驱动模块根据对应的PWM信号生成驱动电流控制驱动电机转动以实现分/合闸。
进一步的，所述电机驱动模块采用IPM驱动器，包括PWM驱动模块和受PWM驱动模块控制的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接功率输入端口，逆变电路的输出端连接功率输出端口。
进一步的，所述控制器包括单片机控制器、DSP处理器和CPLD控制器，所述单片机控制器根据接收到的分/合命令生成分/合闸信号，所述CPLD控制器根据电网中断路器所在的主母线的电流、电压技术参数计算确定分合闸速度，DSP处理器根据分合闸速度得到对应的驱动电机所需速度的PWM信号输出给对应电机驱动模块的PWM驱动模块，PWM驱动模块生成门极信号控制逆变电路输出对应的操作功。
进一步的，所述电机驱动模块和对应的驱动电机均包括两个，两个驱动电机设置在高压断路器装配的横梁内，横梁上部设置有断路器灭弧室；横梁内横向设置的扭力杆用于将驱动电机主轴的旋转运动转化成灭弧室内动触头的直线运动；两个驱动电机分别设置于所述横梁内两个端部，从两端驱动连接所述扭力杆，分别用于在主分/合闸命令下和副分/合闸命令下通过扭力杆驱动断路器动触头动作。
附图说明
图1是现有技术的电机驱动系统示意图；
图2是本发明的电机驱动系统示意图；
图3是现有技术电机驱动机构三极断路器装配图；
图4是现有技术断路器横梁内部装配示意图；
图5是采用了本发明的电机驱动系统的电机驱动机构三极断路器装配图；
图6是本发明断路器横梁内部装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
目前，电机驱动机构断路器产品技术日益成熟，且样机在我国南北电网挂网运行，随着智能化要求不断升级，产品的技术性能也逐渐完善。然而，产品在运行过程中，出现如下问题，不能满足产品突发事故技术要求。
我们知道，传统的液压机构、弹簧机构高压断路器产品，具有主分与副分之要求，也就是产品在主分闸回路中，由于机械和电器的故障，主分闸回路不能实现可靠分闸时，幅分闸回路必须替代以保证断路器分闸要求，实现电网故障最小化。
就目前的电机驱动机构较传统的液压、弹簧机构而言，电机机构进行分合闸操作，无需通过链带、液压液或者压缩空气来传递能量，有较高的效率和可靠性。且电动机在数字信号处理器(DSP)的控制下，根据实际运行情况选择操作曲线，采用电机的速度和位置的双闭环控制方式，从而实现机构的操动速度和操作时间的控制。由于整个控制系统采用位置速度传感器及电流电压传感器，在此基础上容易实现对机构和断路器状态的在线监测。近年来以电力电子功率器件驱动的电机操动机构逐渐成为研究的热点，电机直接操动机构作为近年来出现的新型操动机构与传统断路器操动机构相比，其传动部分简洁。可控性更优，而且由于机构本身已实现了信息的全数字化，便于实现智能化控制。
从目前电机驱动机构结构原理来看，上述技术特色得到了充分的发挥。然而，高压断路器产品的动作是通过电机的驱动来实施的，电机又受控于驱动控制器，电力电子及电机都是耗损元件，一旦哪个环节出现问题，整个机构将会出现瘫痪状态。而且一旦故障出现，后果小到分合闸回路不能正常分合闸，大到甚至会出现驱动回路发生爆炸，因此我们在控制回路中增加智能控制元件，以保护电机和电力电子元件，以及驱动回路的安全。
具体的，现有技术的电机驱动机构断路器，其电机驱动机构原理图如图1所示，对于数字控制的伺服电机，为保护电机和电子原件，都实施了智能功率驱动模块作为驱动回路，此模块驱动电路只受控于PWM信号，对噪声、杂波频率、控制电压都有较严格的要求。一旦驱动电压低于某一设定电压值，智能功率驱动模块将发生欠压保护；高于某一设定电压值，将发生过电压保护，以防止损坏内部电子元件；同时其频率范围也要求极其严格，一旦超出这个范围，也将触发相应的保护。
智能功率驱动模块(IPM，Intelligent Power Module)是一种功率开关器件，具有大功率晶体管高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及场效应晶体管高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，大大增强了系统的可靠性，是用于断路器电机驱动机构的理想驱动器件。目前的电机驱动机构断路器，实现了IPM的智能保护，IPM智能功率驱动模块集成了三相高速低功耗大功率开关管IGBT和驱动电路，完成数字信号处理器(DSP)提供的脉宽调制波，实现电机变频速度的控制。然而，一但电机驱动控制回路出现欠压、过热、过流、短路等故障信号，智能功率模块将会发出报警信号，同时封锁IGBT的通断，从而导致永磁同步电机就不能运转，一旦电网出现故障电流，无论电机驱动机构的主、副分都不能动作，且电机驱动机构断路器又没有机械装置保证断路器副分功能，导致此时断路器副分也不起作用，电网出现故障。
驱动系统实施例：
本实施例中，以110KV电机驱动机构高压断路器为例，对本发明的电机驱动机构断路器的驱动系统进行如下说明：
为了解决电机驱动机构其驱动控制回路出现欠压，过热，过流，短路等故障时，智能功率模块封锁IGBT门极驱动回路，导致永磁同步电机将不能运转执行断路器的主附分合闸操作而造成电网事故发生。本发明从产品结构及控制方面做出以下改进：
将现有技术的电机驱动机构断路器，增设一台永磁同步电机，保证在主分合回路不能实现断路器的分合闸情况下，副分合闸回路实现可靠地动作，保障电网的正常运行。
为了实现断路器副分合闸，将电机驱动机构进行重新设计，充分利用原有控制器资源，将驱动控制器原理进行改进，从而保证在主分合闸回路发生智能保护的情况下，使断路器副分合闸回路能够可靠的动作。
在二次控制技术方面，消除原有主副分合闸回路的局限性，即在主分合闸回路不能动作时，副分合闸回路满足断路器分合闸要求。
具体的，本发明的一种电机驱动高压断路器的驱动系统，图2所示的为采用了本发明驱动系统的电机驱动高压断路器，包括断路器本体1、第一伺服驱动电机21、第二伺服驱动电机22、采用了储能电容的储能单元3；第一伺服驱动电机21、第二伺服驱动电机22采用永磁同步电机，且均与断路器主体1传动连接以驱动动触头实现分合闸，断路器本体以外的部分构成本发明的一种电机驱动高压断路器的驱动系统。包括用于接收主分/合命令、副分/合命令的单片机控制器，与单片机控制器通过双通道光纤通信连接的DSP+CPLD控制器，单片机控制器根据主副分/合闸命令向DSP+CPLD控制器发送分合闸信号，同时DSP+CPLD控制器根据伺服电机旋变信号向单片机控制器反馈分合闸状态。
本发明的驱动系统还包括分别用于主/副分闸回路的两个智能功率驱动器32、31(即智能功率驱动模块IPM)，每个智能功率驱动器均包含一个PWM驱动模块，DSP+CPLD控制器分别控制连接两个智能功率驱动器32、31的PWM驱动模块，根据主分/合闸命令或副分/合闸命令向对应的PWM驱动模块发送PWM控制信号；PWM驱动模块对应驱动连接IGBT逆变电路，以输出门极信号驱动各个IGBT的通断，储能单元3并联于对应两个智能功率驱动器32、31的逆变电路的输入端，逆变电路的输出端对应驱动连接第一永磁同步电机21、第二永磁同步电机22。
DSP+CPLD控制器用于实现断路器的智能化操作，即当母线参数发生变化时，用相应的操作功实施对电机的驱动控制；利用CPLD可编程逻辑控制器技术，在程序控制中，将母线参数转换成CPLD控制命令；通过适时监测主母线的电流、电压技术参数，在满足断路器技术条件的情况下，确定断路器各个参数下的分合闸速度，通过DSP数字信号处理器，得到电机所需速度的PWM驱动波形，从而实现断路器的智能控制。
为了实现断路器分合闸命令驱动断路器，使其动触头的速度值满足断路器技术要求，通过DSP数字控制技术，运用SVPWM空间矢量控制算法，在一个开关周期内，通过对电压矢量加以组合，使其控制器输出的平均值与给定的电压矢量值相等的原理，用程序设计的方法，绘出系列的动触头行程曲线，通过对永磁同步电机进行位置伺服控制，使断路器动触头按不同的行程曲线运动，从而实现伺服电机与断路器动触头的直动运行。
电机驱动装置本质上是一个数字控制系统。所需操作运动(分闸和合闸)被编程到控制单元中。有命令时，根据存储的触头行程程序执行所需操作，并且控制电机相应地移动断路器主触头。储能、缓冲、脱扣和传输基本为电气操作，因此断路器本体的机械系统减为最小运动部件。作为电气操作链中关键部分的智能功率驱动模块为多重，从而实现冗余系统。
本发明的实质性内容在于，现有技术的电机驱动机构断路器中，主分与副分共用一个智能驱动控制器(DSP+CPLD控制器)，智能驱动控制器受控于伺服电机及本身电力电子元件的运行状态，一旦智能驱动控制器检测到控制回路欠压、驱动模块过热、过流，及电机电流回路短路，智能功率模块将封锁电机驱动电流，此时，断路器的副分回路也将失出作用。因此，本发明为了充分利用副分在检测到故障时的作用，增加断路器在电网中的保护功能，在现有智能驱动控制器(DSP+CPLD控制器)的基础上，增加一路智能控制驱动模块，充分利用了现有驱动控制器资源，在一路电机驱动电流封锁的情况下，另一路输出电机驱动电流，实现断路器的副分/合闸控制。
具体操作过程如下：
1、断路器在电网运行时，主分实现断路器的正常操作及短路保护；主分/合闸回路包括主分/合闸命令输入接口、单片机控制器、DSP+CPLD控制器、智能功率驱动器32构成；
2、一旦智能驱动控制器检测到驱动模块出现故障时，通过副分闸回路实现断路器的正常操作及短路保护，以免智能控制驱动器检测到故障时，断路器也不能动作；副分/合闸回路包括副分/合闸命令输入接口、单片机控制器、DSP+CPLD控制器、智能功率驱动器31构成。
高压断路器实施例：
现有技术的平高110KV电机驱动机构三级高压断路器装配如图3所示，包括安装有动/静触头的灭弧室81、安装有传动机构的横梁82、用于安装电机驱动系统的控制柜83，控制柜83设置于横梁82的一个端部，控制柜83与横梁82端部对应的位置处设置有伺服电机84，伺服电机84的主轴传动连接横梁82中的传动机构。
横梁82的内部装配如图4所示，伺服电机84从图中左端传动连接传动机构中的扭力杆821，伺服电机84转动实现断路器分合闸。
本发明的一种电机驱动高压断路器采用了系统实施例中的电机驱动高压断路器的驱动系统，该驱动系统已在系统实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。
采用了该驱动系统后，电机驱动机构三级高压断路器装配如图5所示，包括安装有动/静触头的灭弧室91、安装有传动机构的横梁92、用于安装电机驱动系统的控制柜93。由于有两个伺服驱动电机，因此将伺服驱动电机集成设置于横梁92内传动机构的两端。控制柜93可与横梁92分离设置，例如设置于地面，控制柜93通过线缆95与横梁92内两端的伺服电机相连。
横梁92的内部装配如图6所示，内设两个伺服电机941、942，相当于系统实施例中的第一伺服驱动电机21和第二伺服驱动电机22。两个伺服电机941、942分别从图中左端和右端传动连接传动机构中的扭力杆921，分别在主分合副分驱动下转动实现断路器分合闸。
Claims (7)
1.一种电机驱动高压断路器的驱动系统，其特征在于，包括控制器和至少两路电机驱动模块，以及与电机驱动模块一一对应的驱动电机，驱动电机用于传动连接断路器本体以实现断路器本体的分合闸；所述控制器分别与电机驱动模块连接，电机驱动模块的功率输入端口连接储能单元，电机驱动模块的功率输出端口连接驱动电机；所述控制器用于接收主分/合命令和副分/合命令并根据电网参数生成PWM驱动信号，根据主分/合命令生成的PWM信号输出给一路电机驱动模块，根据副分/合命令生成的PWM信号输出给另一路电机驱动模块，对应的电机驱动模块根据对应的PWM信号生成驱动电流控制驱动电机转动以实现分/合闸。
2.根据权利要求1所述的电机驱动高压断路器的驱动系统，其特征在于，所述电机驱动模块采用IPM驱动器，包括PWM驱动模块和受PWM驱动模块控制的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接功率输入端口，逆变电路的输出端连接功率输出端口。
3.根据权利要求2所述的电机驱动高压断路器的驱动系统，其特征在于，所述控制器包括单片机控制器、DSP处理器和CPLD控制器，所述单片机控制器根据接收到的分/合命令生成分/合闸信号，所述CPLD控制器根据电网中断路器所在的主母线的电流、电压技术参数计算确定分合闸速度，DSP处理器根据分合闸速度得到对应的驱动电机所需速度的PWM信号输出给对应电机驱动模块的PWM驱动模块，PWM驱动模块生成门极信号控制逆变电路输出对应的操作功。
4.一种电机驱动高压断路器，其特征在于，包括断路器本体、控制器和至少两路电机驱动模块，以及与电机驱动模块一一对应的驱动电机，驱动电机传动连接断路器本体以实现断路器本体的分合闸；所述控制器分别与电机驱动模块连接，电机驱动模块的功率输入端口连接储能单元，电机驱动模块的功率输出端口连接驱动电机；所述控制器用于接收主分/合命令和副分/合命令并根据电网参数生成PWM驱动信号，根据主分/合命令生成的PWM信号输出给一路电机驱动模块，根据副分/合命令生成的PWM信号输出给另一路电机驱动模块，对应的电机驱动模块根据对应的PWM信号生成驱动电流控制驱动电机转动以实现分/合闸。
5.根据权利要求4所述的电机驱动高压断路器，其特征在于，所述电机驱动模块采用IPM驱动器，包括PWM驱动模块和受PWM驱动模块控制的逆变电路，所述逆变电路的输入端连接功率输入端口，逆变电路的输出端连接功率输出端口。
6.根据权利要求5所述的电机驱动高压断路器，其特征在于，所述控制器包括单片机控制器、DSP处理器和CPLD控制器，所述单片机控制器根据接收到的分/合命令生成分/合闸信号，所述CPLD控制器根据电网中断路器所在的主母线的电流、电压技术参数计算确定分合闸速度，DSP处理器根据分合闸速度得到对应的驱动电机所需速度的PWM信号输出给对应电机驱动模块的PWM驱动模块，PWM驱动模块生成门极信号控制逆变电路输出对应的操作功。
7.根据权利要求6所述的电机驱动高压断路器，其特征在于，所述电机驱动模块和对应的驱动电机均包括两个，两个驱动电机设置在高压断路器装配的横梁内，横梁上部设置有断路器灭弧室；横梁内横向设置的扭力杆用于将驱动电机主轴的旋转运动转化成灭弧室内动触头的直线运动；两个驱动电机分别设置于所述横梁内两个端部，从两端驱动连接所述扭力杆，分别用于在主分/合闸命令下和副分/合闸命令下通过扭力杆驱动断路器动触头动作。
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