高壓斷路器直線電機操動機構的製作方法
2023-07-21 19:17:01
專利名稱：高壓斷路器直線電機操動機構的製作方法
技術領域：
本發明屬於輸變電設備技術領域，特別涉及一種高壓斷路器直線電機操動機構，適用於斷路器的智能化操作。
背景技術：
高壓斷路器在電網中起控制和保護作用，是輸變電領域的一種重要設備，它不但要保證斷路器長期的動作可靠性，而且要滿足滅弧特性對操作機構的要求。為此要求斷路器有良好的操作性能。現今所使用的斷路器操作機構是採用彈簧、液壓或氣動技術，都是傳統的機械式設計，主要由連杆，鎖扣，以及能量供應系統等幾部分組成，環節多，累計運動公差大且響應緩慢，可控性差，效率低。響應時間一般要幾十個毫秒。另外這些操動機構的動作分散性也較大。結構比較複雜，零件數量多，加工要求高。運動過程不可控，效率低，特性不穩定，長期運行不可靠等。
發明內容
為了解決上述存在的問題，本發明提供一種用於高壓斷路器的直線電機操動機構。它是取消傳統操動機構的機械驅動部分，採用一臺電子式控制的直線伺服電機直接驅動斷路器的操動杆，直線電機基於微計算機控制、電力電子驅動，採用帶位置速度檢測的閉環自適應控制。實現其動觸頭移動，位置、速度可控可調，精確的控制斷路器的運動過程，實現良好的分合閘特性。
本發明包括有直線電機及伺服控制器，直線電機的次級和高壓斷路器的動觸頭通過絕緣拉杆連接，直線電機通過其上的電樞繞組以及位置和速度傳感器與伺服控制器連接。
其直線電機包括初級鐵心、次級鐵心、永磁體、位置和速度傳感器，沿徑向由內到外依次分布為次級鐵心、電樞繞組、初級鐵心、殼體，初級鐵心由矽鋼片疊壓而成若干個槽形結構，在相對次級鐵心側的槽中置有電樞繞組，次級鐵心上依次嵌放有極性相反的永磁體，永磁體構成電機的磁極，相鄰兩磁級之間置有非導磁材料，電樞繞組在槽中按整距波繞組的方式排列；位置傳感器安裝在電機初級上，速度傳感器裝在電機的次級上。位置傳感器為霍爾元件，速度傳感器為直線光柵。
本發明中的伺服控制器包括電源單元、儲能單元、輸入輸出單元、控制單元及驅動單元，電源單元為電源或者蓄電池，分別連接控制單元和儲能單元，電容器作為斷路器動作的儲能單元，通過電源充電；輸入輸出單元包括鍵盤、顯示器以及通訊接口，連接控制單元，實現分合閘命令的輸入和電機狀態的輸出，顯示以及與計算機等設備的通訊；控制單元主要由微處理器構成，分別連接輸入輸出單元和驅動單元，電機上的位置和速度傳感器分別與控制單元連接，將電機的位置以及速度信號傳給控制單元，控制驅動單元向電機提供能量；驅動單元由IGBT組成的智能功率模塊及IPM驅動模塊IR2130組成，分別與控制單元、儲能單元和電機相連。
本發明中伺服控制器的控制過程，按以下步驟執行1.初始化；2.判斷斷路器處於分/合位置；3.等待分/合命令；4.調用分/合閘中斷服務過程；5.分/合閘過程結束；6.保存分/合閘過程；7.結束返回等待分/合閘命令。
上述步驟4中分/合閘服務中斷子過程，按以下步驟執行1.磁極位置判斷檢測位置傳感器信號，並確定是否換向，需要換向，則進入換向服務過程，不需要，則繼續往下執行；2.讀取速度；3.比較速度；4.調節速度；5.讀取電流；6.調節電流；7.確定PWM佔空比；8.更新PWM寄存器；9.判斷是否結束；10.返回。
上述分/合閘服務中斷服務過程中步驟1判斷磁極位置中的換向服務過程，按以下步驟執行1.保護現場；2.讀取換向控制字；
3.查找開關管工作狀態；4.換向；5.恢復現場退出。
本發明的直線電機通過伺服控制器控制，分合閘命令通過輸入輸出的接口單元傳給控制器，控制器根據得到的命令發送控制指令以控制驅動單元，驅動單元由智能功率模塊(簡稱IPM)構成及IPM驅動模塊IR2103組成，IPM集功率變換、驅動及保護電路於一體。通過驅動單元將由儲能電容器儲存的能量轉換成電機需要的能量並輸送給電機來驅動斷路器動作。同時電機上的位置傳感器將檢測到的信號傳給控制單元，控制單元將得到的位置信號同預先存儲的斷路器預設的速度曲線相對比，並發送更進一步的控制命令，電機的出力和速度可連續調節，以保持儘可能小的偏差。整個運動過程通過預設程序精確控制。
本發明取代傳統的由一整套複雜的機械驅動的操動機構，使其只有一個運動部件，大量減少了機械傳動鏈，結構簡單可靠。伺服控制的使用可以取消傳統的緩衝裝置，緩衝由電機的反向力提供，而且可以將剩餘的能量返回給儲能單元。控制規律由程序來實現，直線電機提供往復運動以驅動斷路器的分合閘，通過檢測斷路器的運動狀態，能夠自動調節輸出能量的大小。直線電機操動機構的電子操動系統依賴電力電子器件控制動力源，保證執行指令的時間精度可以達到微秒級，即機構的響應時間可控能在所希望的相位上動作，所以非常適用於開關的同步關合，基於微處理器的直線電機伺服控制系統，可以通過程序實現各種運動控制策略，對動觸頭的運動過程進行優化控制，以利於斷路器熄弧，減小操作過電壓，減小湧流提高斷路器開斷能力，提供平滑的運動，以減小結構件的衝擊應力，保證斷路器可靠運行，便於實現開關的智能化。本發明機構質量小，運動慣量小，動能大大減小，能量損耗減小，使得大部分能量都用到了斷路器動觸頭動能上，提高了能量的使用效率。並具有如下特點體積小，重量輕；結構簡單，高可靠；高效率，低能耗；快速響應和高精度；運動過程可控。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明中直線電機的結構示意圖，圖3是本發明的伺服控制器框圖，圖4是本發明直線電機的電氣控制原理圖，圖5是本發明伺服控制器的控制流程圖，圖6是圖5中分/合閘服務過程流程圖，
圖7是圖5中換向服務過程流程圖，圖8是實施例中的預設速度曲線；圖中1.初級鐵心，2.非磁性材料，3.電樞繞組，4.次級鐵心，5.永磁體，6.靜觸頭，7.動觸頭，8.壓氣缸，9.絕緣拉杆，10.電機初級，11.電機次級，12.槽，13.殼體，14.顯示器，15.通訊接口，16.直線光柵尺，17.霍爾位置傳感器，18.直線電機，19.電流傳感器，20電源，C為儲能電容，K1為分閘按鈕，K2為合閘按鈕。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步描述實施例如圖1所示，本發明包括有直線電機及伺服控制器，直線電機的次級11和高壓斷路器的動觸頭7通過絕緣拉杆9連接，直線電機18通過其上的電樞繞組3以及位置和速度傳感器與伺服控制器連接。
直線電機結構如圖2所示，包括初級鐵心1、次級鐵心4、永磁體5、位置和速度傳感器，沿徑向由內到外依次分布為次級鐵心4、電樞繞組3、初級鐵心1、殼體13，初級鐵心1由矽鋼片疊壓而成若干個槽形結構，在相對次級鐵心4側的槽12中置有電樞繞組3，次級鐵心4上依次嵌放有極性相反的永磁體5，永磁體5構成電機的磁極，沿軸向相鄰兩磁極之間置有非導磁材料2，電樞繞組3在槽12中按整距波繞組的方式排列；位置傳感器裝在初級上，速度傳感器裝在電機的次級上。在電樞繞組3中通入電流，電流在永磁體產生的磁場中受到安培力的作用推動電機次級11運動，不同磁極下的繞組通入方向相反的電流，使得同一時刻所產生的推力最大。
本發明中的伺服控制器，如圖3、圖4所示，包括電源單元、儲能單元、輸入輸出單元、控制單元及驅動單元，電源單元為電源或者蓄電池，其分別連接控制單元和儲能單元，為控制器供電以及為儲能單元輸送能量；電容器作為斷路器動作的儲能單元，通過電源充電，通過驅動單元將能量輸送給電機；輸入輸出單元包括鍵盤、顯示器以及通訊接口，連接控制單元，實現分合閘命令的輸入和電機狀態的輸出，顯示以及與計算機等設備的通訊；控制單元主要由微處理器構成，驅動單元由智能功率模塊及IPM驅動模塊IR2130組成，智能功率模塊由六個IGBT組成的全橋驅動電路構成，驅動單元分別與控制單元、儲能單元和電機相連；電流傳感器安裝在IPM與儲能電容相連的導線上，監測電流的大小；本例中的控制單元採用TMS320×2407型號的晶片，分別連接輸入輸出單元、驅動單元以及電機和電流傳感器，接收電機和電流傳感器的反饋信號，控制晶片的IOPB4和IOPB5與鍵盤相連，接收分合閘命令；IOPE1-IOPE6與顯示器相連，將斷路器的狀態輸出到顯示器；IOPA0和IOPA1和通訊接口相連，實現與外部設備的通訊；PWM1-PWM6口分別與IR2130的HIN1和LIN1、HIN2和LIN2、HIN3和LIN3相連並通過IR2130的H01和L01、H02和L02、H03和L03，分別與六個1GBT電路連接，控制IPM的六個電晶體IGBT1-IGBT6的通斷，PWM1-PWM6同一時刻只有兩個導通，控制IGBT1-IGBT6每時刻只有兩個導通，向電機輸送能量；CAP1、CAP2、CAP3與電機上的霍爾位置傳感器相連，接收電機的位置反饋信號，根據位置狀態的不同，確定PWM1-PWM6中同一時刻導通的兩個接口，實現電樞繞組中電流的換相；QEP3、QEP4、CAP6接收電機速度傳感器的信號，與圖8所示的預設速度曲線相比較，調節電機的運行速度；VIN0口與電流傳感器相連，接收電流的反饋信號實現電流的監測；電機上裝有霍爾位置傳感器和直線光柵，將電機的位置以及速度信號傳給控制單元。
本發明中伺服控制器的控制過程，如圖5所示，按以下步驟執行1.初始化；2.判斷斷路器處於分/合位置；3.等待分/合命令；4.調用分/合閘中斷服務過程；5.分/合閘過程結束；6.保存分/合閘過程；7.結束返回等待分/合閘命令。
上述步驟4分/合閘服務中斷服務過程，如圖6所示，按以下步驟執行1.判斷磁極位置；檢測位置傳感器信號，確定導通的開關管，並判斷位置傳感器信號是否有變化，如果位置傳感器信號從一種狀態變到另一種狀態，則申請中斷，進入換向中斷服務過程；2.如果位置傳感器信號狀態不變，則讀取速度；讀取預設速度曲線給定的速度值v*以及速度傳感器反饋回來的電機實際速度值v；3.比較速度；將速度傳感器測得的實際速度與給定的速度值相比較，將其差值作為速度調節的給定誤差，Δv＝v*-v；4.調節速度；由給定的速度誤差確定電流的誤差值Δi＝KiΔv，Ki-電流調節係數；5.讀取電流；
讀取電流傳感器反饋回來的電流值i；6.調節電流；將電流傳感器測得的實際電流值與電流誤差值相加，確定電流調節的給定值，i*＝Δi+i；7.確定PWM佔空比；PWM佔空比αk從0-1，對應i*從0-Imax，根據給定電流的大小確定PWM佔空比k=i*Imax;]]>8.更新PWM寄存器；9.判斷是否結束；10.返回。
上述分/合閘服務中斷服務過程中步驟1判斷磁極位置中的換向中斷服務過程，如圖7所示，按以下步驟執行1.保護現場；2.讀取換向控制字；位置傳感器發出三個信號a、b、c，每個信號有0、1兩個值，合閘過程中，同一時刻有兩個是1，一個是0，分閘過程中同一時刻有兩個是0，一個是1。因此，共有110、101、011、100、010、001六個換向時刻。對應六組開關管工作狀態，每組有兩個開關管導通。
3.查找開關管工作狀態；
4.換向；5.恢復現場退出。
權利要求
1.一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於包括有直線電機及伺服控制器，直線電機的次級和高壓斷路器的動觸頭通過絕緣拉杆連接，直線電機通過其上的電樞繞組以及位置和速度傳感器與伺服控制器連接。
2.根據權利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述的直線電機包括初級鐵心、次級鐵心、永磁體、位置和速度傳感器，沿徑向由內到外依次分布為次級鐵心、電樞繞組、初級鐵心、殼體，初級鐵心由矽鋼片疊壓而成若干個槽形結構，在相對次級鐵心側的槽中置有電樞繞組，次級鐵心上依次嵌放有極性相反的永磁體，永磁體構成電機的磁極，相鄰兩磁級之間置有非導磁材料，電樞繞組在槽中按整距波繞組的方式排列；位置傳感器安裝在電機初級上，速度傳感器裝在電機的次級上。
3.根據權利要求2所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述的位置傳感器為霍爾元件，速度傳感器為直線光柵。
4.根據權利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述的伺服控制器包括電源單元、儲能單元、輸入輸出單元、控制單元及驅動單元，電源單元為電源或者蓄電池，分別連接控制單元和儲能單元；儲能單元由電容器構成；輸入輸出單元包括鍵盤、顯示器以及通訊接口，連接控制單元；控制單元主要由微處理器構成，分別連接輸入輸出單元和驅動單元，電機上的位置和速度傳感器分別與控制單元連接；驅動單元由IGBT組成的智能功率模塊及IPM驅動模塊IR 2103組成，分別與控制單元、儲能單元和電機相連。
5.根據權利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述的伺服控制器的控制過程，按以下步驟執行1)初始化；2)判斷斷路器處於分/合位置；3)等待分/合命令；4)調用分/合閘中斷服務過程；5)分/合閘過程結束；6)保存分/合閘過程；7)結束返回等待分/合閘命令。
6.根據權利要求5所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述的步驟4)中分/合閘中斷服務過程，按以下步驟執行1)磁極位置判斷檢測位置傳感器信號，並確定是否換向，需要換向，則進入換向服務過程，不需要，則繼續往下執行；2)讀取速度；3)比較速度；4)調節速度；5)讀取電流；6)調節電流；7)確定佔空比；8)更新PWM寄存器；9)判斷是否結束；10)返回。
7.根據權利要求6所述的一種高壓斷路器直線電機操動機構，其特徵在於所述步驟1)中的換向服務過程，按以下步驟執行1)保護現場；2)讀取換向控制字；3)查找開關管工作狀態；4)換向；5)恢復現場退出。
全文摘要
一種高壓斷路器直線電機操動機構，屬於輸變電設備技術領域。其結構包括有直線電機及伺服控制器，直線電機的次級和高壓斷路器的動觸頭通過絕緣拉杆連接，直線電機通過其上的電樞繞組以及位置和速度傳感器與伺服控制器連接。本發明的優點機構質量小，運動慣量小，動能大大減小，能量損耗減小，使得大部分能量都用到了斷路器動觸頭動能上，提高了能量的使用效率。並具有如下特點體積小，重量輕；結構簡單，高可靠；高效率，低能耗；快速響應和高精度；運動過程可控。
文檔編號H02P6/16GK1971800SQ20061013409
公開日2007年5月30日 申請日期2006年10月30日 優先權日2006年10月30日
發明者林莘, 馬躍乾, 徐建源, 劉愛民 申請人:瀋陽工業大學