摘"要：

高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)提高了斷路器運(yùn)行的可靠性與可控性，因此設(shè)計(jì)了一套適用于126 kV真空斷路器的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)?；诓賱?dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速要求，提出一種有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案，研制樣機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)完成動(dòng)作要求檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)分段轉(zhuǎn)矩控制策略，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需求將操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為4個(gè)階段，從降低觸頭碰撞、避免預(yù)擊穿現(xiàn)象發(fā)生、提高斷路器工作可靠性角度對(duì)各階段電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。結(jié)果表明：所研制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合分段轉(zhuǎn)矩控制策略，在保證滅弧室對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作速度要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化和工作可靠性提高，促進(jìn)了斷路器智能化操作進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：高壓斷路器；操動(dòng)機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；分段轉(zhuǎn)矩控制；智能化操作；試驗(yàn)驗(yàn)證

DOI：10.15938/j.emc.2024.01.010

中圖分類(lèi)號(hào)：TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）01-0095-10

Motor design and control technology of highvoltage circuit breaker operating device

WANG Yifei，"LIN Xin，"XU Jianyuan，"LI Wei

（School of Electric Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China）

Abstract：

The motordriven operating device of highvoltage circuit breakers improves the reliability and controllability of circuit breaker operation. A set of motordriven operating device for 126 kV vacuum circuit breaker was designed. Based on the driving motor torque and speed requirements determined by the kinetic analysis of the actuator， a finite angle permanent magnet brushless motor design was proposed， and a prototype was developed for inline testing to complete the action requirement test. On this basis， the segmented torque control strategy was designed to combine the output torque requirements of the drive motor to divide the motion process of the operating device into four stages， and dynamically adjust the output torque of the motor in each stage from the perspective of reducing contact collision， avoiding prearcing and improving the working reliability of the circuit breaker. The results show that the developed drive motor with segmental torque control strategy can optimize the motion process and improve the reliability of the operating device and promote the intelligent operation of the circuit breaker， while ensuring the interrupter’s requirements for the operating time and speed of the operating device.

Keywords：high voltage circuit breaker; operating device; drive motor; segmental torque control; intelligent operation; test verification

0"引"言

電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)直驅(qū)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用電機(jī)良好的伺服性能可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)斷和關(guān)合過(guò)程的調(diào)節(jié)與控制，獲得理想的斷路器開(kāi)關(guān)特性，是解決傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作可靠性和運(yùn)動(dòng)可控性不佳的有效途徑，符合斷路器智能化操作的發(fā)展方向[1-5]。

當(dāng)前，高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)主要集中在驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與電機(jī)控制方法的研究上：

1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了多槽結(jié)構(gòu)和少槽結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響，結(jié)合仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多槽定子結(jié)構(gòu)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，更加有利于電機(jī)的控制，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的選取提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一臺(tái)永磁無(wú)刷直流電機(jī)，采用多數(shù)槽定子結(jié)構(gòu)，永磁體采用普通表貼埋入方式安裝在轉(zhuǎn)子表面，與一臺(tái)40.5 kV SF6斷路器進(jìn)行了聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[9]通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分/合閘結(jié)束時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位裝置的機(jī)械碰撞會(huì)導(dǎo)致采用表貼埋入方式安裝的永磁體出現(xiàn)松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象，影響斷路器工作可靠性。為此，提出了3種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變永磁體與轉(zhuǎn)子之間的裝配關(guān)系來(lái)改善此問(wèn)題，并進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。

2）電機(jī)控制方法。文獻(xiàn)[10-12]針對(duì)斷路器滅弧室對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求，預(yù)設(shè)了電機(jī)動(dòng)作目標(biāo)軌跡，將現(xiàn)有的電機(jī)智能控制算法應(yīng)用于操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，使電機(jī)完成對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤控制。但是，斷路器幾十毫秒的分/合閘動(dòng)作時(shí)間使電機(jī)始終處于啟動(dòng)、短時(shí)工作狀態(tài)，電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系并未穩(wěn)定建立，控制參數(shù)計(jì)算所需的電機(jī)數(shù)學(xué)模型會(huì)與理論存在一定偏差，電機(jī)在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)保證目標(biāo)軌跡的跟蹤精確度，實(shí)際應(yīng)用中存在一定難度。文獻(xiàn)[13-14]考慮到上述問(wèn)題，在550 kV GIS中隔離開(kāi)關(guān)和126 kV SF6斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制方法中沒(méi)有采用固定軌跡跟蹤的控制思路，而是結(jié)合斷路器智能化操動(dòng)的要求，設(shè)計(jì)分段控制策略。在操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的起始階段、緩沖階段有針對(duì)性地增加和減小電機(jī)輸入給定量，目的是保證分/合閘速度的同時(shí)降低分/合閘結(jié)束時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊。這種控制思路調(diào)試簡(jiǎn)單，工程上實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。但是，滅弧室開(kāi)距、超程與操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的出力要求也略有不同，分段控制策略需要針對(duì)負(fù)載變化情況與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求做相應(yīng)調(diào)整，而現(xiàn)有研究并未對(duì)此進(jìn)行深入分析。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于真空斷路器相比于隔離開(kāi)關(guān)和SF6斷路器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載特性與動(dòng)作要求并不相同，若操動(dòng)機(jī)構(gòu)、斷路器以及控制策略之間的匹配不合理，容易引起操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械碰撞加劇、觸頭彈跳、預(yù)擊穿等現(xiàn)象的出現(xiàn)，影響斷路器的工作可靠性。

基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文首先通過(guò)對(duì)126 kV真空斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性進(jìn)行分析，確定作為操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需滿(mǎn)足的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速要求。提出一種有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案，研制樣機(jī)與斷路器進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，證明驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與出力特性均可以滿(mǎn)足滅弧室對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求。其次，結(jié)合分段控制思想，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需求，設(shè)計(jì)分段轉(zhuǎn)矩控制策略，將操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)一步劃分為啟動(dòng)階段、合閘階段、超程階段和緩沖階段，分段調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。目的是降低觸頭碰撞、避免預(yù)擊穿現(xiàn)象發(fā)生、提高斷路器工作可靠性。最后，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)-斷路器-控制策略的配合試驗(yàn)中完成對(duì)整套電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化以及提升工作可靠性方面的檢驗(yàn)。

1"126 kV真空斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)

126 kV真空斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。位于邊相的一臺(tái)電機(jī)通過(guò)法蘭盤(pán)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)主軸，帶動(dòng)拐臂、傳動(dòng)連桿、絕緣拉桿構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)觸頭的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分/合閘操作。

斷路器真空滅弧室的主要參數(shù)如表1所示，其中：平均合閘速度指操動(dòng)機(jī)構(gòu)從30%開(kāi)距至觸頭閉合位置行程內(nèi)的平均速度；平均分閘速度指從觸頭閉合位置至75%開(kāi)距行程內(nèi)的平均速度。

2"操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

2.1"運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

根據(jù)表1中觸頭開(kāi)距60 mm，超行程24 mm的操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)拐臂長(zhǎng)度為109.2 mm，傳動(dòng)連桿長(zhǎng)度為139.9 mm。拐臂在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下由水平位置逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至34°時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)完成開(kāi)距階段運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)30°與水平位置夾角為64°時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)完成超行程階段運(yùn)動(dòng)，合閘過(guò)程結(jié)束。此時(shí)，拐臂與傳動(dòng)連桿成一條直線(xiàn)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)力與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘保持，具體過(guò)程如圖2所示。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘過(guò)程與此相反。

2.2"負(fù)載特性分析

操動(dòng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)階段，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載特性受滅弧室自閉力和系統(tǒng)重力影響；在超行程階段，除自閉力和系統(tǒng)重力外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)還需克服觸頭壓簧的彈性反力作用。操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移與操動(dòng)機(jī)構(gòu)直線(xiàn)位移及驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，剛合閘瞬間由于觸頭壓簧的預(yù)緊力作用，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變，其最大值接近1 000 N·m，此值為驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩輸出要求提供了依據(jù)。同時(shí)結(jié)合表1中滅弧室對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度要求，可以計(jì)算出滿(mǎn)足平均分/合閘速度要求下驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需達(dá)到的平均合閘轉(zhuǎn)速為132 r/min，平均分閘轉(zhuǎn)速為212 r/min。

3"操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

3.1"驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研制完成了一臺(tái)3相、4極、36槽圓筒形定子外殼、內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有限轉(zhuǎn)角永磁無(wú)刷電機(jī)。

轉(zhuǎn)子材料選用10號(hào)鋼，永磁材料選用N40型釹鐵硼永磁體，采用瓦形徑向充磁結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)燕尾卡槽型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改變永磁體與轉(zhuǎn)子表面的裝配關(guān)系，通過(guò)將永磁體外表面嵌入在燕尾卡槽內(nèi)，改善操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分合閘結(jié)束時(shí)與機(jī)械限位碰撞導(dǎo)致永磁體發(fā)生松動(dòng)和脫落的問(wèn)題，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。

定子材料選用DW470硅鋼片，采用整數(shù)槽、多槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電樞繞組為單層集中整距繞組排列方式，考慮到電機(jī)僅工作在啟動(dòng)狀態(tài)，為加快電流上升速度，增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用2套獨(dú)立線(xiàn)圈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其接線(xiàn)方式如圖4（b）所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖4（c）所示，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2。

電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置及具體換相過(guò)程如圖5所示，進(jìn)行合閘操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)通相依次為AB-AC-BC；分閘操作與此相反，驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)CB-CA-BA相依次導(dǎo)通。整個(gè)分（合）閘過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)歷兩次換相，共旋轉(zhuǎn)64°。

3.2"動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，合閘時(shí)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)48.8 ms，合閘時(shí)間為34.6 ms，最大電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到1 257 N·m，測(cè)速區(qū)間對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍23°～34°，平均轉(zhuǎn)速為327 r/min，對(duì)應(yīng)平均合閘速度3.21 m/s；分閘時(shí)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)47 ms，分閘時(shí)間32.8 ms，最大電磁轉(zhuǎn)矩1 146 N·m，測(cè)速區(qū)間對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍34°～8°，平均轉(zhuǎn)速為398 r/min，對(duì)應(yīng)平均分閘速度4.13 m/s。

仿真結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成分/合閘操作，輸出電磁轉(zhuǎn)矩與測(cè)速區(qū)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速在滿(mǎn)足轉(zhuǎn)矩特性和滅弧室要求的前提下均留有足夠裕量，具備作為操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能力。驅(qū)動(dòng)電機(jī)樣機(jī)如圖7所示。

4"聯(lián)機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分/合閘性能，搭建驅(qū)動(dòng)電機(jī)-斷路器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。操動(dòng)機(jī)構(gòu)由電容器組提供分/合閘能量，通過(guò)調(diào)壓器完成對(duì)充電電壓的預(yù)先調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為核心，經(jīng)IGBT組成的三相全橋逆變電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。

試驗(yàn)平臺(tái)中儲(chǔ)能電容器組由6個(gè)容量為0.022 F、額定電壓為450 V的電容并聯(lián)組成；驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸上安裝有角位移傳感器，供電電源為DC 15 V，測(cè)量范圍360°；滅弧室動(dòng)、靜觸頭的母線(xiàn)端子上連接有分/合閘檢測(cè)電路，供電電源為DC 15 V。

接下來(lái)分別進(jìn)行了電容電壓為250、300 V的操動(dòng)機(jī)構(gòu)分/合閘性能測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

試驗(yàn)中，電容電壓為250、300 V時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)完成整個(gè)分閘過(guò)程的時(shí)間分別為50.4、48.5 ms，分閘時(shí)間分別為31.2、30.5 ms，動(dòng)觸頭從閉合位置運(yùn)動(dòng)至75%開(kāi)距的時(shí)間為13.4、12.8 ms，對(duì)應(yīng)平均分閘速度為3.36、3.52 m/s；完成整個(gè)合閘過(guò)程的時(shí)間分別為124.2、96.7 ms，合閘時(shí)間分別為59.8、53.2 ms，動(dòng)觸頭從30%開(kāi)距運(yùn)動(dòng)至觸頭閉合位置的時(shí)間為8.1、7.4 ms，對(duì)應(yīng)平均合閘速度為2.22、2.43 m/s。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以順利完成分/合閘操作，電容電壓的改變有效影響了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間與動(dòng)作速度，體現(xiàn)出驅(qū)動(dòng)電機(jī)良好的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)在分/合閘結(jié)束時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分/合閘位置上可靠保持，沒(méi)有引起明顯的彈跳與過(guò)沖，驗(yàn)證了整套電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘時(shí)間與分閘速度可以滿(mǎn)足滅弧室對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)械的特性需求；而合閘試驗(yàn)中，平均合閘速度高于表1中滅弧室的參數(shù)要求，較高的平均合閘速度雖然可以縮短預(yù)擊穿時(shí)間，但也一定程度上加劇了觸頭之間的碰撞損耗。同時(shí)，合閘超程階段觸頭壓簧引起的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化使角位移曲線(xiàn)在52°附近出現(xiàn)了明顯波動(dòng)，并在合閘末期出現(xiàn)了上揚(yáng)現(xiàn)象。合閘末期的角位移曲線(xiàn)上揚(yáng)現(xiàn)象意味著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升會(huì)加劇合閘結(jié)束時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位之間的機(jī)械碰撞。因此，為改善操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘性能，提高斷路器的工作可靠性，有必要調(diào)整控制方式，優(yōu)化合閘過(guò)程。

5"分段轉(zhuǎn)矩控制策略

合閘角位移曲線(xiàn)之所以會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)是由于固定電壓控制方式下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程受負(fù)載變化影響所致。通過(guò)對(duì)動(dòng)作曲線(xiàn)的預(yù)先規(guī)劃，計(jì)算出滿(mǎn)足動(dòng)作要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)分段調(diào)節(jié)逆變電路中功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的方式，實(shí)現(xiàn)分段轉(zhuǎn)矩控制，完成對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化[15]。

5.1"動(dòng)作曲線(xiàn)規(guī)劃

采用三次多項(xiàng)式與直線(xiàn)過(guò)渡的方案從驅(qū)動(dòng)電機(jī)側(cè)進(jìn)行角位移曲線(xiàn)規(guī)劃[16]。擬定測(cè)速區(qū)間對(duì)應(yīng)運(yùn)行時(shí)間段為50～60 ms，此區(qū)間內(nèi)電機(jī)勻速旋轉(zhuǎn)；剩余兩段行程區(qū)間通過(guò)初始和末端位置的速度約束關(guān)系、位置約束關(guān)系可以計(jì)算出三次多項(xiàng)式的各項(xiàng)系數(shù)。具體函數(shù)關(guān)系建立如下：

合閘角位移規(guī)劃曲線(xiàn)如圖10所示，合閘起始位置與終止位置的電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，充分降低操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位裝置間的機(jī)械碰撞；測(cè)速區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為10 ms，對(duì)應(yīng)動(dòng)觸頭行程為18 mm，平均合閘速度為1.8 m/s，滿(mǎn)足滅弧室動(dòng)作要求。

5.2"驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求計(jì)算

電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)受約束的連桿系統(tǒng)。系統(tǒng)包含2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，電機(jī)僅負(fù)責(zé)對(duì)拐臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖2所示，運(yùn)用歐拉-拉格朗日法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，其動(dòng)力學(xué)模型如下[17]：

其中：q=[q1 q2]T，q1為拐臂與x軸之間的夾角，q2為連桿與拐臂之間的夾角；D（q）為2×2階正定慣性矩陣；C（q，q·）為2×2階離心力和哥氏力項(xiàng)；G（q）為2×1階重力項(xiàng)；JT（q）為約束矩陣的Jacobian信息；λ為拉格朗日乘子；Q為廣義力向量，各矩陣具體形式為：

式中：p1～p5為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)組成的表達(dá)式[17]，p1=（m2+mv）l21+m1l2c1+I1，p2=mvl22+m1l2c2+I2，p3=（mvl2+m2lc2）l1，p4=（m2+mv）l1+m1lc1，p5=mvl2+m2lc2；m1、m2、l1、l2、lc1、lc2、I1、I2分別為拐臂和傳動(dòng)連桿的質(zhì)量、長(zhǎng)度、質(zhì)心到端點(diǎn)的距離和各自繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mv在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)階段（q1lt;34°）為絕緣拉桿和滅弧室中運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和，在超行程階段（q1≥34°）為絕緣拉桿的質(zhì)量；ps1、ps2為觸頭壓簧引起的彈性勢(shì)能變化量，其值在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)階段均為0，超行程階段ps1=kΔx[l1cosq1+l2cos（q1+q2）]，ps2=kΔxl2cos（q1+q2），k為彈簧的勁度系數(shù)，Δx為彈簧壓縮量，其值在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)階段為定值Δx1，用來(lái)提供預(yù)緊力，在超行程階段壓縮量逐漸變化為Δx1+sinq1+l2sin（q1+q2）-l2。

由于動(dòng)觸頭只能在豎直方向運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)的自由度為1，可通過(guò)約束條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降階[18]。取q1為描述約束運(yùn)動(dòng)的變量，q2為剩余冗余變量，由圖2可知q1和q2的約束關(guān)系為

操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分各構(gòu)件質(zhì)量如表3所示，并將式（9）和式（1）中規(guī)劃行程曲線(xiàn)的q1、q·1、q··1信息代入式（2）即可得出滿(mǎn)足動(dòng)作要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，如圖11所示。

5.3"控制策略設(shè)計(jì)

本文將斷路器的合閘過(guò)程劃分為4個(gè)階段，分別為Ⅰ：?jiǎn)?dòng)階段、Ⅱ：合閘階段、Ⅲ：超程階段、Ⅳ：緩沖階段，如圖10所示。依據(jù)圖11的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩需求，將各階段的轉(zhuǎn)矩調(diào)控策略設(shè)計(jì)如下：

1）啟動(dòng)階段：設(shè)計(jì)為合閘測(cè)速起始位置之前對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍。此階段電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求維持在驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩一半附近，因此可將驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比設(shè)計(jì)在0.5～1之間。同時(shí)對(duì)控制占比的適當(dāng)限制可減少電容中能量消耗，保證系統(tǒng)有足夠儲(chǔ)能完成超程階段運(yùn)動(dòng)[13-14]。

2）合閘階段：設(shè)計(jì)為測(cè)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)角范圍。該階段既要保證合閘速度避免預(yù)擊穿現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)又要考慮降低合閘時(shí)的觸頭機(jī)械碰撞[20]。結(jié)合此階段明顯減小的電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制占比設(shè)計(jì)在0～0.5之間。

3）超程階段：設(shè)計(jì)為合閘位置至角位移曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯波動(dòng)位置時(shí)的角度區(qū)間。此階段由于觸頭壓簧引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求瞬間增加，并接近轉(zhuǎn)矩輸出峰值，因此應(yīng)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制占比設(shè)置為1，保證電機(jī)有足夠轉(zhuǎn)矩輸出完成超程階段運(yùn)動(dòng)。

4）緩沖階段：應(yīng)配合逐漸減小的電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求，降低轉(zhuǎn)矩輸出，避免合閘末期電機(jī)轉(zhuǎn)速上升現(xiàn)象出現(xiàn)。同時(shí)較小的輸出轉(zhuǎn)矩可以降低操動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)械限位之間的碰撞，提高斷路器工作可靠性。驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比應(yīng)設(shè)置在0～0.5之間。

各階段控制占比具體數(shù)值可通過(guò)試驗(yàn)確定，本文在電容電壓充至400 V的情況下合閘，各階段具體轉(zhuǎn)角劃分與相應(yīng)控制占空比設(shè)置如表4所示。

5.4"試驗(yàn)研究

圖12為分段轉(zhuǎn)矩控制方式下的試驗(yàn)結(jié)果，合閘時(shí)間為57.5 ms，平均合閘速度為2.02 m/s。合閘階段控制占比的降低使平均合閘速度相比于300 V和250 V固定電壓控制方式下分別下降了0.41 m/s和0.20 m/s。雖然略高于滅弧室要求，但考慮到合閘試驗(yàn)是在斷路器空載運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的，而事實(shí)上斷路器在執(zhí)行合閘操作時(shí)，動(dòng)觸頭會(huì)因預(yù)擊穿現(xiàn)象的發(fā)生受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的電動(dòng)力作用，引起合閘速度下降。因此，空載情況下稍高的合閘速度對(duì)于保證實(shí)際運(yùn)行中斷路器的合閘速度滿(mǎn)足滅弧室要求是有一定積極意義的[21-22]。超程階段功率管的完全導(dǎo)通保證了電機(jī)轉(zhuǎn)矩的有效輸出，同時(shí)配合緩沖階段較小的控制占比在保證斷路器可靠合閘的前提下有效解決了角位移曲線(xiàn)上揚(yáng)問(wèn)題。分段轉(zhuǎn)矩控制策略下整個(gè)合閘過(guò)程角位移曲線(xiàn)平滑無(wú)波動(dòng)，有效降低了剛合速度與合閘結(jié)束速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化和工作可靠性提高，體現(xiàn)出控制策略的有效性。

6"結(jié)"論

本文設(shè)計(jì)了一套適用于126 kV真空斷路器的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，從提高斷路器工作可靠性、優(yōu)化操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程角度完成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與控制策略研究，主要結(jié)論如下：

1）完成操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)樣機(jī)研制，設(shè)計(jì)燕尾卡槽型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提高電機(jī)工作可靠性。聯(lián)機(jī)試驗(yàn)下試驗(yàn)樣機(jī)施加電壓高于250 V時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘時(shí)間小于59.8 ms，平均合閘速度高于2.22 m/s；分閘時(shí)間小于31.2 ms，平均分閘速度高于3.36 m/s。

2）將驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0°～23°、23°～34°、34°～52°、52°～64° 4個(gè)轉(zhuǎn)角區(qū)間的控制占比設(shè)置為0.7、0.5、1、0.4時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘時(shí)間為57.5 ms，平均合閘速度為2.02 m/s，相比于300、250 V固定電壓控制方式下分別下降了0.41 m/s和0.20 m/s。

3）分段轉(zhuǎn)矩控制策略改善了固定電壓控制方式下合閘速度較高與合閘末期電機(jī)轉(zhuǎn)速上升問(wèn)題，提高了斷路器的工作可靠性，實(shí)現(xiàn)了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2022-06-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51777130）

作者簡(jiǎn)介：王奕飛（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)椴賱?dòng)機(jī)構(gòu)及其控制技術(shù)；

林"莘（1961—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏弘娖骷捌渲悄芑夹g(shù)；

徐建源（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏弘娖骷捌渲悄芑夹g(shù)、電力系統(tǒng)分析及配電網(wǎng)自動(dòng)化；

厲"偉（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷涸囼?yàn)及新能源并網(wǎng)技術(shù)。

通信作者：王奕飛