高压断路器电机机构智能控制系统研制

高压断路器电机机构智能控制系统研制

李鹏鹏

乐星产电（大连）有限公司辽宁省大连市116600

摘要：目前，我国的综合国力在不断的加强，为满足智能电网建设对智能化设备的需求，提高高压断路器的操控性能及运行可靠性，应用现代智能控制技术的电机操动机构得到越来越多关注。针对真空断路器电机操动机构控制特点，提出一种永磁电机机构模糊免疫PID速度随动跟踪智能控制方法。为实现操动机构智能控制，研制基于DSP28335+FPGA+单片机多CPU结构全数字化伺服电机操动机构控制系统，并对断路器不同的运行状态：分/合闸操作、自动重合闸、分阶段速度调控及速度跟踪等操作分别进行测试，验证研究的控制方法及控制系统有效性。实验结果表明：该控制系统参数在PWM为10kHz，占空比为80%时，126kV真空断路器机械参数为：合闸时间为38ms，分闸时间为21ms；平均合闸速度为2.24m/s，平均分闸速度为3.63m/s。满足了真空灭弧室分合闸时间以及分合闸速度等参数要求，所研究的电机操动机构控制技术能够对高压真空断路器的运行状态进行有效控制。

关键词：高压真空断路器；电机操动机构；永磁电机；运动方程；模糊免疫控制；多CPU系统

引言

高压断路器在电网系统中起到切断故障线路保护电网稳定运行的作用，有效的实现断路器的分合闸以及自动重合闸操作对电网的安全以及排除故障线路都具有十分重大的意义。断路器能否按照预设的要求完成分合闸操作且具有稳定性，其操动机构性能起决定性作用。传统的真空断路器操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构和永磁操动机构等，这些传动机构均存在机械零部件多，机构复杂，难以实现对断路器分合闸的过程控制等缺点，难以满足国家电网对电网电器智能化操作的要求。近年来，随着新型操动机构的相继问世，尤其是电机操动机构，采用电子操动系统控制功率器件实现断路器的分、合操作，运动部件少，动作分散性小，这为高压断路器触头运动控制提供了可能。本文针对126kV真空断路器的负载特性，在分析了表贴式、燕尾槽表贴埋入型、直线内嵌型和外V内嵌型4种电机转子输出性能后，提出了一种多槽双层表贴埋入式定子及转子永磁电机设计方案。并结合所提出的电机操动机构搭建了以数字信号处理器为核心的控制系统平台。开展126kV真空断路器分合闸联机实验，通过实验数据分析，验证所提出的新型电机机构能够有效满足高压真空断路器对分合闸速度的要求指标及分合闸时间稳定性。

1控制系统整体结构

高压断路器控制系统采用专业电机控制器TMS320F2812为核心设计硬件电路和软件程序。控制系统硬件电路由DSP最小系统、电机转子位置检测电路、三相桥式驱动电路、IGBT驱动保护电路、系统信息检测电路等组成。其中，DSP最小系统是硬件电路和软件程序连接的纽带；电机转子位置检测电路为DSP提供电机绕组换相时刻信号；三相桥式驱动电路实现电机绕组的合理换相；IGBT驱动保护电路及时导通和关断功率器件，保证IGBT可靠动作；系统信息检测电路反馈系统运行信息，保证控制系统安全运行。其中控制系统的结构原理图如图1所示。高压断路器电机机构控制系统通电后，首先，DSP控制充电电路对电容器组充电到操作电压，充放电电路断开，切断外界电网。然后，根据高压断路器的位置，确定下一步动作信息，在控制面板上进行相应操作，DSP根据电机转子位置检测电路反馈的信号发出控制指令，通过隔离驱动电路驱动相应的IGBT模块导通，给电机绕组通电驱动电机带动断路器动作。最后DSP检测到断路器动作结束信号，停止控制信号的输出关断IGBT模块，使电机操动机构停止动作。同时系统信息检测电路实时反馈系统运行信息，当发生故障时，DSP关断IGBT模块输出，并发出警告信号。

图1控制系统结构原理图

2机构控制系统研制与实现

2.1硬件系统组成

针对高压真空断路器电机操动机构的特点，研制电机机构控制系统。电机操动机构控制系统硬件结构，见图2。该伺服控制系统采用DSP+FPGA+单片机为核心的多CPU模块化设计方法，各模块功能如下：高性能微处理器DSP完成电机操动机构复杂的运动控制算法；现场可编程逻辑器件FPGA主要完成电机操动机构绕组相电流、母线电压的数据采集以及短路器的分合闸逻辑控制；单片机完成系统的整个通讯功能，主要包括系统参数的传输、设置以及显示等操作，并与上位机进行通讯。

图2电机操动机构控制系统硬件结构

2.2电机转子位置检测电路设计

根据控制系统实时性要求及安装方便，本控制器采用锁存型霍尔元件作为电机转子位置检测传感器，霍尔元件输出信号经过隔离放大后接入DSP的信号捕捉引脚，霍尔元件与DSP接口电路如图3所示。控制器上电后，霍尔元件根据转子位置输出高低电平，DSP芯片根据高低电平信号判断电机转子位置，输出正确的驱动信号，使电机动作。随着电机转角的变化，霍尔元件输出电平也发生变化，DSP芯片根据霍尔元件的高低电平来确定IGBT的导通顺序，使电机继续动作一直到所要求角度。

2.3主要部分电路

对于DSP＋FPGA+单片机的数字控制电路设计，其关键是要对DSP、FPGA和单片机中的一些关键信号接口进行配置，主要信号连接见图3。对于DSP28335微处理器的部分，霍尔位置传感器产生的U、V、W信号则通过通用I/O口送到DSP中，用于电机的启动。DSP通过串口通讯连接面板，从而实现键盘命令的输入以及LED的显示。DSP产生的脉冲被传输到FPGA，并由FP⁃GA决定其是否向驱动单元进行传输。DSP与SARM之间的数据通讯由数据总线和地址总线完成。

图3主要信号连接

3实验结果分析

3.1恒定调速试验

恒定调速试验的目的是为了研究PWM电压调速方法是否适用于高压真空断路器电机操动机构的特殊工况。通过调节驱动电机绕组电压的PWM占空比来改变电压的有效值，在电机操动机构驱动断路器运动过程中，电压信号的PWM占空比为恒定值，不随操动机构运动位置和运动状态的变化而改变。

3.2操作稳定性试验研究

操作稳定性是高压断路器操动机构的重要机械特性之一，良好的操作稳定性对实现高压断路器的同步关合以及选相操作具有重要意义。选取断路器触头的刚分、刚合时刻为考核依据，对电机机构驱动断路器的运动过程操作稳定性，进行实验研究。

3.3区间调速试验

区间调速试验的目的是为了进一步对操动机构驱动电机的运动过程进行精细化调节，最终实现对驱动电机运动的随动控制。在进行区间调速试验时，选择驱动电机在工作过程中的3个换相区间为调速区间，重点研究电机操动机构驱动断路器进行分、合闸操作时的末段运动减速调节，以减小机械冲击。

结语

随着国家智能电网及智能化矿井技术的发展，对开关设备的智能化水平要求越来越高。本文针对高压断路器的新型电机机构控制系统进行了研究，再结合单神经元控制算法进行控制系统仿真分析基础上，设计电机转子位置检测电路、桥式驱动电路、IGBT驱动保护电路等控制系统的硬件电路和系统软件程序。将高压断路器电机机构和设计的控制系统进行联机调试。通过实验可知，所设计的控制系统能够驱动高压断路器完成分、合闸操作，证明了本文所设计的控制系统的合理性。

参考文献：

[1]林莘．现代高压电器技术[M]．北京：机械工业出版社，2011．

[2]刘经宇．真空断路器永磁直线电机操动机构的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2011．

[3]马跃乾．高压断路器新型电机操动机构的研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2008．