馬 磊

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司直流公司，湖北宜昌 443000）

0 引言

隨著建設(shè)“堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的目標(biāo)提出，特高壓電網(wǎng)得到了快速發(fā)展[1]。由此，各類電力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備也得到了快速發(fā)展[2]。其中，高壓斷路器是其關(guān)鍵設(shè)備之一，其智能化操作是一個研究重點(diǎn)[3]。

高壓斷路器合閘、分閘的性能與其操動機(jī)構(gòu)性能密切相關(guān)。電磁操動機(jī)構(gòu)、氣動操動機(jī)構(gòu)以及液壓操動機(jī)構(gòu)均具有響應(yīng)時間長的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其動態(tài)特性差[4,5]。而電動操作機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)時間短、精度高等特點(diǎn)，因此研究電動操動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高壓斷路器的方法十分必要[6]。

電動操動機(jī)構(gòu)能夠通過儲能電容完成功能，能夠?qū)崟r采集斷路器的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷，完成高壓斷路器的智能化改造[7-9]。

無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高，適用于作為高壓斷路器中的操動機(jī)構(gòu)[10-11]。高壓斷路器在分閘過程與合閘過程中，操動機(jī)構(gòu)的出力曲線并非恒轉(zhuǎn)矩，因此需分析其在合閘過程與分閘過程中的受力情況，以作為無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)的輸入?yún)⒖糩12]。

本文首先分析了操動機(jī)構(gòu)的工作原理，獲得了高壓斷路器在合閘與分閘過程中電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。然后根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析推導(dǎo)了其控制策略。并在Matlab中搭建了仿真模型。

1 操動機(jī)構(gòu)特性

1.1 操動機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性

高壓斷路器包括驅(qū)動部分、控制部分以及真空斷路器。而驅(qū)動部分可采用無刷直流電機(jī)，其驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程可分為四個過程：電能供給、能量緩沖、能量釋放與傳輸。以無刷直流電機(jī)為驅(qū)動系統(tǒng)的高壓斷路器的原理如圖1所示。

圖1 高壓斷路器原理

處于合閘狀態(tài)時，主軸a旋轉(zhuǎn)角度推動拐臂逆時針運(yùn)動，連桿在拐臂作用下運(yùn)動，絕緣拉桿在連桿作用下運(yùn)動。絕緣連桿運(yùn)動的位移為S，當(dāng)S=S0時，動、靜觸頭閉合，此時高壓斷路器工作于閉合狀態(tài)。主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，彈簧開始壓縮，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角度θ達(dá)到θ0時，主軸旋轉(zhuǎn)結(jié)束，此時彈簧壓縮量即為接觸行程c。

該高壓斷路器的分閘過程與合閘過程相反，不再贅述。

1.2 操動機(jī)構(gòu)反力特性

圖1中，f處為操動機(jī)構(gòu)的各部件質(zhì)量的等效質(zhì)量Mf，此時，根據(jù)能量守恒定律可知，操動機(jī)構(gòu)的出力F與斷路器負(fù)載反力Fz的關(guān)系可表示為：

式中，v為觸頭速度，v0為初始速度。

斷路器的負(fù)載反力包括兩個部分：斷路器的反力Fj以及各個軸銷的摩擦力ML。此時，系統(tǒng)的運(yùn)動方程可表示為：

通常情況下，Ml較小，且為高次復(fù)雜函數(shù)，為了簡化計算，本文利用損耗來表示軸銷處摩擦力。此時，系統(tǒng)的運(yùn)動方程可簡化為：

式中，η為效率。

圖2給出了高壓斷路器合閘與分閘過程中，隨著主軸旋轉(zhuǎn)角度變化所需的操動機(jī)構(gòu)的出力。

圖2 高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)作用力

圖2(b)中，在高壓斷路器分閘初期，操動機(jī)構(gòu)出力為正，即出力做正功，可作為分閘能量的一部分，另一部分的分閘能量由觸頭彈簧提供。因此，在分閘初期，觸頭分閘加速度較大，觸頭分閘速度快速提高，滿足分閘速度需求。

在分閘后期，操動機(jī)構(gòu)的出力為負(fù)，即出力做負(fù)功。在該負(fù)力的影響下，觸頭的加速度為負(fù)，觸頭的運(yùn)動速度變小，做減速運(yùn)動。因此當(dāng)分閘結(jié)束時，觸頭的速度很低，對機(jī)構(gòu)的沖擊力較小，提高了高壓斷路器運(yùn)動機(jī)構(gòu)的壽命。

2 操動機(jī)構(gòu)控制原理

高壓斷路器的操動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、位置傳感器以及位置限位保持裝置構(gòu)成。該位置限位保持裝置能夠確保高壓斷路器在分閘狀態(tài)、合閘狀態(tài)時，機(jī)構(gòu)能夠保持在固定位置。而位置傳感器可檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置信息。本研究所用位置傳感器采用增量式光電編碼器。

2.1 操動機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

圖3所示為操動機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動電路。

圖3 操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動電路

圖3中，該無刷直流電機(jī)的換向可通過T1至T6的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)，其導(dǎo)通規(guī)律如圖4所示。

圖4 IGBT導(dǎo)通規(guī)律

由圖4 可知，在任意時刻，都僅有兩只IGBT 導(dǎo)通，且每只IGBT 導(dǎo)通60°。在任意時刻，均有一只上橋臂IGBT與一只下橋臂IGBT導(dǎo)通。

2.2 操動機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

高壓斷路器的分閘與合閘過程，本質(zhì)上是操動機(jī)構(gòu)中無刷直流電機(jī)的瞬間起動與制動過程，具有控制時間短的特點(diǎn)。因此其數(shù)學(xué)模型十分重要，關(guān)系到控制系統(tǒng)的精確性。

2.2.1 IGBT特性

IGBT 在開通狀態(tài)下，存在導(dǎo)通壓降，且該壓降并不是常數(shù)，而是受到集電極電流、工作溫度等因素的影響。而無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)為繞組電阻小、啟動電流大，因此IGBT的導(dǎo)通壓降不可忽視。

IGBT的導(dǎo)通壓降可表示為：

式中，Uth、RT以及iT分別為IGBT的開啟電壓、等效通態(tài)電阻以及集電極電流。

IGBT的反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降可表示為：

式中，UDt、RD、iD分別為二極管開啟電壓、等效電阻與電流。

2.2.2 無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

式中，ω為轉(zhuǎn)子角速度。

無刷電機(jī)在任意時刻，僅有兩相通電，其兩相感應(yīng)電動勢經(jīng)過逆變器串聯(lián)，因此電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

式中，KT為無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Id為兩相繞組電流。

無刷電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程可表示為：

式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，f為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量。

2.3 操動機(jī)構(gòu)控制策略

本研究采用雙閉環(huán)控制操動機(jī)構(gòu)中的無刷電機(jī)，其控制框圖如圖5所示。

圖5 操動機(jī)構(gòu)控制策略

圖中，電流環(huán)控制器的輸入?yún)⒖贾悼杀硎緸椋?/p>

式中，Iref(k)為速度環(huán)的輸出，同時也是電流環(huán)的參考輸入，KP、KI與KD分別為速度環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)。e(k)為第k次的速度誤差。

無刷電機(jī)的調(diào)節(jié)過程是通過PWM 調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，PWM 的占空比可通過DSP 中比較寄存器實(shí)現(xiàn)。其表達(dá)式如下：

式中，COMP(k)為電流環(huán)調(diào)節(jié)器第k次的輸出，e(k)為電流環(huán)第k次輸出誤差，S為積分分離開關(guān)，KPi、KIi分別為電流環(huán)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

3 結(jié)果分析

為了論證所提采用無刷電機(jī)作為高壓斷路器的操動機(jī)構(gòu)的控制策略的可行性，搭建了仿真模型，其參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖6所示為無刷電機(jī)的速度反饋。其中速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用PID 控制器，電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI 控制器。圖6 中，A 表示速度輸入?yún)⒖记€，B 表示速度跟蹤曲線。由圖可知，在0.025 s 之后，無刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速能夠跟蹤轉(zhuǎn)速參考值。

圖6 無刷電機(jī)速度波形

4 結(jié)論

提出了采用無刷電機(jī)作為高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)的方法，并給出了控制策略。

分析了操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性與驅(qū)動電路的等效電路，并根據(jù)無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了無刷電機(jī)的控制策略。結(jié)果表明，采用無刷直流電機(jī)作為高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)能夠滿足其合閘、分閘要求，因而具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。