CN103560039A

CN103560039A - 一种高压断路器永磁凸极电机操动机构及控制方法

Info

Publication number: CN103560039A
Application number: CN201310578834.6A
Authority: CN
Inventors: 林莘; 李昊旻; 史可鉴; 王飞鸣; 吴冠男; 杨艳辉; 徐建源
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2013-11-16
Filing date: 2013-11-16
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-16
Also published as: CN103560039B

Abstract

一种高压断路器永磁凸极电机操动机构及控制方法，属于高压开关设备领域操动技术。操动机构驱动电机靠自身产生的电磁转矩驱动凸极转子旋转，带动断路器分、合闸操作；在单相电枢绕组中施加电流，永磁体产生的磁场在电磁力的作用使凸极转子转动。方法首先对驱动电机充电电容器组进行充电，设置速度权重系数和电流权重系数；根据采集到的驱动电机电枢电流、转速信号，利用权重模糊PID算法调节PWM信号的占空比和频率。本发明的驱动电机在工作角度内无需传统永磁无刷直流电机的换相阶段，降低了驱动电机的能耗，在高压断路器短时工作的工况下能显著提高驱动电机的效率，避免电机换相的非平衡态过程，能明显改善驱动电机短时工作下的控制效果。

Description

一种高压断路器永磁凸极电机操动机构及控制方法

技术领域

本发明属于高压开关设备领域操动技术，特别涉及高压断路器永磁凸极电机操动机构及控制方法。

背景技术

高压断路器是电力系统中最重要最复杂的设备之一，它能否正常实现快速分、合闸操作对电网安全稳定的运行起到了决定性的作用。传统断路器操动机构构结构复杂，运动部件多，可控性和可靠性不佳。复杂的操动机构致使操动机构的响应时间长、分散性大，其结构不能完全满足断路器的运动特性和操作特性。随着高压断路器智能化水平的提高，智能设备已从最初的断路器外围监测与控制发展到状态信号采集技术、状态监测与故障诊断、操作智能化、二次控制系统智能化等多个方面，其中最关键的是断路器的操作智能化。传统操动机构不能针对给定的断路器预期动作曲线实施准确跟踪，亦不能全操作过程的速度可控调节，导致动态控制特性不理想，不易保证满足现代电力系统对断路器操作智能化的要求。因此有必要研究一种控制性能良好的高压断路器操动机构。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高压断路器永磁凸极电机操动机构及控制方法，以达到对加在凸极式永磁电机上电压的控制，实现对高压断路器电机操动机构分合闸速度的随动制。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高压断路器永磁凸极电机操动机构，主要由驱动电机和电机控制器组成；电机控制器通过电缆线与驱动电机端部连接，光电编码器安装在驱动电机的端部与电机主轴固定连接并通过屏蔽通信线与电机控制器相连；驱动电机的输出主轴通过对接法兰盘与转动主轴连接，三个传动曲柄一端与传动主轴键连接，实现了操动机构与断路器本体的机械连接；

所述永磁凸极操动机构的驱动电机主要由电机定子、电机凸极转子、电机主轴、永磁体和电枢绕组组成；电机定子与电机凸极转子用过平键固定连接，永磁体粘合在电机凸极转子上，电枢绕组为单相绕组，沿对称分界面对称绕置于电机定子中的开槽内；

所述的驱动电机靠自身产生的电磁转矩驱动凸极转子转，进而带动断路器进行分、合闸操作；在单相电枢绕组中施加电流，永磁体产生的磁场在电磁力的作用使凸极转子转动；

所述的永磁体不越过驱动电机的对称分界面，使凸极转子在有限转角内转动。

所述的驱动电机的单相电枢绕组主要由启动绕组和制动绕组组成。

电机控制器主要由电源模块、信号采集模块、信号调理模块、AD转换模块、数据处理单元、通讯模块、分合闸信号模块、隔离驱动电路、升压模块以及IGBT模块组成；

在所述的电机控制器内，信号采集模块采集电机电流信号，经信号调理模块使采集到的信号幅值稳定在0～5V以内经调理后的信号输入到信号AD转换模块，经过AD转换模块后输入到数据处理单元，数据处理单元处理根据输入信号和电机分合闸指令，发出对应的PWM波，该PWM波经隔离驱动电路、升压模块传递给IGBT模块，进而控制IGBT模块的开断，实现对电机运动的控制；分合闸信号模块为驱动电机的分合闸动作提供控制指令，并将该指令传递给数据处理单元。

所诉的数据处理单元还可与上位机的通讯，通过上位机实现对下位机分合闸指令的发送，也可通过上位机实现对驱动电机电流和电机速度曲线的显示。

所述的电源模块进一步包括直流电源模块和驱动电机充电电容器组模块。

一种高压断路器永磁凸极电机操动机构的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对驱动电机充电电容器组进行充电，同时通过上位机将驱动电机预设的转速和电流曲线存储于电机控制器中，设置速度权重系数和电流权重系数；

步骤2：电机控制器检测是否接到分、合闸指令，若收到分、合闸指令，则控制驱动电机旋转，否则继续检测；

步骤3：采集高压断路器永磁凸极电机操动机构的驱动电机电枢电流、转速信号，通过信号调理和AD转换后传送到数据处理单元，并与电机控制器中储存的预设的电流、转速信号比较，通过权重模糊PID算法调节PWM信号的占空比和频率，最终达到控制驱动电机运动的目的，具体包括以下步骤：

步骤3.1：数据处理单元进行PWM信号的初始化，然后发出PWM信号驱动IGBT导通和关断，进而实现将充电电容器组中的电压加到电枢绕组两端；

步骤3.2：采集模块实时采集驱动电机的电流和转速信号，经过信号调理模块和AD转换模块的处理后，将驱动电机的实测电流和实测转速传送至数据处理单元；

步骤3.3：数据处理单元将经处理后的驱动电机转速和电流信号分别与预定的驱动电机转速和电流值进行比较，采用权重模糊PID算法对转速和电流信号进行整定，并相应的调节PWM信号占空比的大小；

步骤3.4：经过步骤3.3调节过的PWM信号，继续对PWM信号频率进行调节：当PWM信号的占空比大于0.7时，进行PWM信号频率的调节，否则维持初设频率；在PWM频率调节的过程中，以PWM信号的占空比为参考，采用区间整定法进行调节；

步骤3.5：数据处理单元按照调整后占空比和频率发出的PWM信号，通过PWM信号对IGBT的关断和导通改变加在驱动电机电枢绕组两端电压的有效值，实现对操动机构驱动电机运动的控制；

步骤4：当检测驱动电机的运动结束即断路器操作完成时，控制过程结束；

步骤3.3所述的调节PWM信号占空比的大小，过程为：上位机根据断路器的实际操作工况分别设定电流和转速在改变PWM占空比中的权重，控制驱动电机运动。

本发明的创新点：

(1)本发明提出的高压断路器永磁凸极电机操动机构从原理上改简化了断路器操动机构的运动系统，显著减少了操动机构零部件，改善并提高了操动机构的可靠性。采用控制性能良好的永磁凸极电机驱动断路器，极大地提高了高压断路器的智能化操作水平。

(2)本发明提出的永磁凸极驱动电机在工作角度内无需传统永磁无刷直流电机的换相阶段，精简了电刷和位置信号传感器等部件，降低了驱动电机的能耗，在高压断路器短时工作的工况下能显著提高驱动电机的效率，避免电机换相的非平衡态过程能明显改善驱动电机短时工作下的控制效果。设置了启动绕组和制动绕组，能明显改善驱动电机的启动、制动性能。

(3)本发明合理设计了适用于高电压等级断路器电机控制器的各硬件系统，采用权重模糊PID控制算法从PWM电压信号频率和占空比两方面同时对操动机构驱动电机进行控制，可根据断路器不同的操动工况自定义速度和电流输出调节量PWM频率和占空比调节权重，有利于提高操动机构的鲁棒性和随动控制特性。

附图说明

图1为本发明实施方式永磁凸极电机操动机构结构示意图；

图2为本发明实施方式永磁凸极驱动电机结构示意图；

图3为本发明实施方式电机控制器组成框图；

图4为本发明实施方式电机控制器的电源原理图；

图5为本发明实施方式的电机控制器的信号采集模块实物接线示意图；

图6为本发明实施方式电机控制器的信号调理模块电路原理图；

图7为本发明实施方式电机控制器的ADS8364转换模块的电路原理图；

图8为本发明实施方式电机控制器的5V～3.3V的电平转换电路的电路原理图；

图9为本发明实施方式电机控制器的分合闸信号捕获模块电路原理图；

图10为本发明实施方式电机控制器的驱动隔离电路的电路原理图；

图11为本发明实施方式电机控制器的升压模块及外围电路的电路原理图；

图12为本发明实施方式电机控制器的IGBT模块的电路原理图；

图13为本发明实施方式电机控制器的数据处理单元核心芯片TMS320F28335电路原理图；

图14为本发明实施方式电机控制器的RS232通讯模块的电路原理图；

图15为本发明实施方式电机控制器的RS485通讯模块的电路原理图；

图16为本发明实施方式电机控制器的控制系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

本实施方式以126kV真空断路器为例，根据灭弧室对操动机构的要求，采用的高压断路器永磁凸极电机操动机构，如图1所示。操动机构设置在断路器边相位置，主要由驱动电机1，电机控制器2和光电编码器3组成。本实施方式中采用一台电机直接驱动传动机构进行断路器的三相机械联动。

驱动电机1的输出主轴通过对接法兰盘4与转动主轴5连接，三个传动曲柄6一端与传动主轴5键连接，实现了操动机构与断路器本体7的机械连接。永磁凸极操动机构的驱动电机1由电机定子8、电机凸极转子9、电机主轴10、永磁体11和电枢绕组12组成。电机定子13与电机凸极转子9用过平键固定连接，实现同轴旋转。永磁体11粘合在电机凸极转子9上。电枢绕组12为单相绕组，沿对称分界面绕置于电机定子8中的开槽内，驱动电机1在优先工作角度内，如图2所示。当电枢绕组12中通过定向电流时，与永磁体11产生的磁场互相作用产生电磁转矩，推动凸极转子9旋转。电枢绕组12分为启动绕组AA₁、制动绕组BB₁和剩余的导流绕组。在驱动电机启动阶段，在启动绕组AA₁和导流绕组中施加正向电流，驱动凸极转子9逆时针旋转。启动绕组中施加的电流大于导流绕组中的电流值，额外增加启动转矩，减少了启动过程时间。同时在制动绕组BB₁中施加反向电流，使得当凸极转子9在运动到制动绕组的时候收到反方向电磁转矩的作用而产生制动，减小了因驱动电机突然停止转动的对凸极转子9冲击。在驱动电机9的运动过程中，电枢绕组12中的电流方向固定，不存在换相环节。本实施方式避免了传统无刷直流电机的换相过程，因而无需换相电刷和传统无刷电机的位置信号传感器，节省了电机换相阶段的能量损失，在高压断路器短时工作的工况下能显著提高驱动电机的效率。同时，避免电机换相的非平衡态过程能明显改善驱动电机短时工作下的控制效果。

电机控制器2的基本组成和系统框图如图3所示。电源模块为电机控制器内的所有部件进行供电。信号采集电路经信号调理模块、AD转换模块连接数据处理单元，数据处理单元一路输出端经过隔离驱动电路、升压模块连接IGBT模块，数据处理单元的另一路输出端连接电机位置信号捕获模块，数据处理单元的第三路输出端连接分闸合闸自动重合闸捕获模块，数据处理单元的第四路输出端经通讯模块连接上位机。

电源模块主要由直流电源模块和驱动电机充电电容器组模块组成。直流电源模块包括5V、+12V、15V。5V电源为LM358、ADS8364(AD转换模块)和光耦器件HCPL-63N提供工作电压。+12V为电压电流传感器提供电源电压。15V为2SC0108T2A0～A17升压模块提供电源电压。3.3V为TMS320F28335(数据处理单元)的正常工作提供稳定的电压。该电源模块使用AMS1117芯片，利用该芯片构成5V～3.3V的硬件电路，其原理图如图4所示。

信号采集模块选用的是CHF-200B霍尔传感器。该霍尔传感器的实际接线图如图5所示。霍尔传感器有4个引脚，第一个引脚接+12V，第二个引脚接-12V，第三个引脚是互感器信号的输出端，该引脚接在信号调理电路的输入端UA0，第四个引脚接地。

在进行AD转换之前，需要对信号进行调理，确保输入到ADS8364的信号是0～5V内，满足该AD芯片采集的信号范围。信号调理模块是由LM358及外围电路组成。其电流信号的反馈电阻R₁的取值可以是1KΩ～3KΩ。根据实际情况的需要本实施方式中R₁选择的1KΩ。其电路原理图如图6所示。

AD转换模块是由ADS8364及其外围硬件电路组成。该芯片的转换有效精度达到16位，频率高达250kHz，有效满足采样要求。ADS8364转换模块的电路原理图如图7所示。信号调理电路的UA0-、UA0+、UB0-、UB0+、UC0-、UC0+端连接至AD转换模块的CHA0-、CHA0+、CHB0-、CHB0+、CHC0-、CHC0+端。

ADS8364输出的信号范围是0～5V，而TMS320F28335处理信号的范围是0～3.3V，故在ADS8364和TMS320F28335之间需接一个5V～3.3V的电平转换电路。该电平转换电路是利用LL245A来实现的，通过LL245A的第1管脚和第24管脚实现对该芯片管脚的输入输出方向的控制，其电路原理图如图8所示。LL245A的1B1、1B2、1B3、1B4、1B5、1B6、1B7、1B8、2B1、2B2、2B3、2B4、2B5、2B6、2B7、2B8管脚连接ADS8364的D0～D15管脚。

为了实现对电机的控制就要对电机旋转分合闸信号进行捕获。电机的分合闸信号捕获采用74HC14和CC384芯片组成。分合闸信号捕获时获得的信号是高电平，为了确保装置的正常工作，本实施方式采用低电平信号触发分合闸，故分合闸信号捕获的硬件电路需要一个反向的功能，故分合闸信号捕获电路按照反相器的功能接线。同时鉴于74HC14输出的高电平信号是5V，故需要通过CC384实现5V～3.3V的转换。电机分合闸信号捕获模块电路原理图如图9所示。TMS320F28335处理器的CAP4、CAP5、CAP6管脚连接CC384的1A4、1A5、1A3的引脚，CC384的1B4、1B5、1B3引脚与74HC14器件的4Y、5Y、6Y引脚相连，74HC14器件的4A、5A、6A分别与分合闸自动重合按键相连。

当TMS320F28335捕获到分合闸信号就会发出对应的PWM波。此时PWM波的幅值是3.3V，根据选择升压模块的要求，需要5V的PWM波，故在驱动隔离模块中要实现3.3V～5V的转换，同时还要实现隔离避免幅值过大信号干扰烧毁DSP，选择74HC245做光耦的驱动和光耦器件HCPL-63N实现3.3V～5V的转换。其原理图如图10所示。驱动隔离电路74HC245器件的A0～A5管脚连接TMS320F28335的PWM0～PWM5管脚，74HC245器件的Q0～Q5分别与三个HCPL-63N的CATHODE1、CATHODE2相连。

本实施方式的IGBT开通需要15V的电压，故需要对PWM信号进一步升压。升压模块采用的是2SC0108T2A0～17，其第一个引脚接地，第二和第三个引脚分别接PWM波的输入，第四个引脚接15V电源，第9引脚和17引脚分别接PWM波的输出。其原理图如图11所示。2SC0108T2A0～17的INA、INB管脚连接隔离电路HCPL-63N的VO1、VO2管脚，2SC0108T2A0～17的GATE1、GATE1管脚连接IGBT的栅极管脚。

本实施方式中的IGBT模块选用的是由IGBT构成的三相桥驱动回路。选择的IGBT型号是SKM600GB066D。每个模块组成一个独立的上下桥臂。一个SKM600GB066D由7个引脚。1、2、6分别是下桥臂的集电极、发射极和栅极，3、4、5分别是上桥臂的集电极、发射极和栅极。4、6为控制脚，接PWM波信号。3、2脚分别接到电容器组的两端，为电机驱动提供电压。5、7脚和4、6引脚电压差开断IGBT。2与7，5与1共点，1脚与2脚，3脚与5脚之间接0.1uF的吸波电容，防止IGBT被击穿。其电路原理图如图12所示。

电机控制器的数据处理单元采用TI公司推出的TMS320F28335。该型号的DSP在继承了DSP2812的基础上支持浮点型数据操作，大大提高了数据的处理效率和精度，使其在工业控制领域的应用得到进一步的提高。电机控制器的数据处理单元核心芯片TMS320F28335管脚说明和实际接线图如图13所示。

本实施方式还为电机控制器的配套研发了上位机控制页面。为了实现上位机与下位机的通讯，也便于通过上位机观察下位机采集到的数据，该控制装置设置了RS232和RS485通讯模块。其中RS232通讯是由MAX3232及其外围电路组成，RS485通讯是由SP3485及其外围电路组成。其RS232和RS485通讯模块电路原理图分别如图14和图15所示。

本实施方式对永磁凸极电机进行随动控制方法的流程如图16所示。包括以下步骤：

步骤1：首先，对电源模块中的驱动电机充电电容器组进行充电，同时根据断路器操作的不同工况通过上位机将驱动电机预定的转速和电流曲线存储于电机控制器中，作为驱动电机运动过程中转速、电流信号的调控目标，同时设置速度权重系数和电流权重系数。

步骤2：电机控制器检测是否接到断路器分合操作闸指令，若没有收到指令，电机控制器继续检测，若收到指令，电机控制器开始控制驱动电机动作。

步骤3.1：在电机控制器对驱动电机进行运动调控时，数据处理单元将进行初始化，PWM信号将按照预定的占空比和频率发出，经信号调理后驱动IGBT的栅极，从而实现对IGBT的导通和关断，将充电电容器组中的电压加到电枢绕组两端，驱动操动机构驱动电机旋转。

步骤3.3：数据处理单元将经处理后的驱动电机转速和电流信号分别与预定的驱动电机转速和电流值进行比较，采用权重模糊PID算法对转速和电流信号进行整定，并相应的调节PWM信号占空比的大小，实现对驱动电机运动的控制。

采用权重模糊PID算法实现对PWM信号占空比的调节过程如下：

数据处理单元将采集到的驱动电机速度值v与给预设的速度值v比较，得出速度调节的给定误差ΔV，根据该误差ΔV，采用模糊PID控制器对永磁凸极电机转速、电流进行整定。

在进行模糊PID整定时，将速度偏差值e和偏差率ec作为速度调节模糊PID控制器的输入，根据偏差值e和偏差率ec确定控制器的控制参数k_p、k_i、k_d的值。

速度量偏差e和速度偏差的变化率ec经模糊化处理得到模糊语言变量E和Ec，E和Ec的模糊子集均为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，Z表示零，PS表示正小，PM PS表示正中，PB PS表示正大。

输出量K_P、K_I、K_D的模糊子集均为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。本实施方式中选取模糊语言变量E、Ec以及K_P、K_I、K_D的论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。E，Ec均服从三角形隶属函数曲线分布，K_P、K_I、K_D均服从高斯型隶属函数曲线分布。其中K_P、K_I、K_D的模糊控制规则如下表1所示：

表1为K_P、K_I、K_D的模糊控制规则

根据表1计算得出K_P、K_I、K_D的修正值Fuzzy(K_P)、Fuzzy(K_I)、Fuzzy(K_D)。

最后根据式(1)～(3)调整K_P、K_I、K_D各值，具体公式如下：

K_P＝K_P0+Fuzzy(K_P) (1)

K_I＝K_I0+Fuzzy(K_I) (2)

K_D＝K_D0+Fuzzy(K_D) (3)

式中，通常取K_P0＝400，K_I0＝1.2，K_D0＝1。

将电流传感器测得电流值i₁与速度调节的给定误差ΔV比较，得出电流误差Δi₁值为：

Δi₁＝K₁Δv (4)

式中，K₁为电流调节系数。

将电流传感器测得的电流值i₁与电流误差值Δi₁相加，确定电流调节给定值

为：

i_{1}^{*} = {Δi}_{1} + i_{1} - - - (5)

设PWM信号的占空比为α_k1，且α_k1的取值范围为0～1。

设电机控制器中预设的驱动电机电流最大值为I_max1，则|I^*|的取值范围为0～I_max1。

根据下式调节PWM信号的占空比α_k1：

α_{k 1} = m \cdot \frac{i_{1}}{I_{\max 1}} + n \cdot \frac{Δv}{I_{\max 1}} - - - (6)

式中，m为电流权重系数，n为速度权重系数。

步骤3.4：经过步骤3.3调节过的PWM信号，继续对PWM信号频率进行调节：

PWM信号频率f的调节仅在PWM信号占空比α_k1＞0.7的情况下进行调节；在α_k1≤0.7时维持原频。f采用3区间整定的方式，PWM信号频率的区间整定规则表如表2所示：

表2为PWM信号频率的区间整定规则表

步骤4：电机控制器检测驱动电机是否完成动作，若尚未完成，则继续控制驱动电机运动，若完成，则停止驱动电机运动，控制过程结束。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：主要由驱动电机(1)和电机控制器(2)组成；电机控制器(2)通过电缆线与驱动电机(1)端部连接，光电编码器(3)安装在驱动电机(1)的端部与电机主轴(10)固定连接并通过屏蔽通信线与电机控制器(2)相连；驱动电机(1)的输出主轴通过对接法兰盘(4)与转动主轴(5)连接，三个传动曲柄(6)一端与传动主轴(5)键连接，实现了操动机构与断路器本体(7)的机械连接；

所述永磁凸极操动机构的驱动电机(1)主要由电机定子(8)、电机凸极转子(9)、电机主轴(10)、永磁体(11)和电枢绕组(12)组成；电机定子(8)与电机凸极转子(9)用过平键固定连接，永磁体(11)粘合在电机凸极转子(9)上，电枢绕组(12)为单相绕组，沿对称分界面对称绕置于电机定子(10)中的开槽内；

所述的驱动电机(1)靠自身产生的电磁转矩驱动凸极转子(9)旋转，进而带动断路器进行分、合闸操作；在单相电枢绕组(12)中施加电流，永磁体(11)产生的磁场在电磁力的作用使凸极转子(9)转动。

2.根据权利要求1所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：所述的永磁体(11)不越过驱动电机(1)的对称分界面，使凸极转子(9)在有限转角内转动。

3.根据权利要求1所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：所述的驱动电机(1)的单相电枢绕组(12)主要由启动绕组和制动绕组组成。

4.根据权利要求1所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：电机控制器(2)主要由电源模块、信号采集模块、信号调理模块、AD转换模块、数据处理单元、通讯模块、分合闸信号模块、隔离驱动电路、升压模块以及IGBT模块组成；

5.根据权利要求4所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：所述的数据处理单元还可与上位机的通讯，通过上位机实现对下位机分合闸指令的发送，也可通过上位机实现对驱动电机电流和电机速度曲线的显示。

6.根据权利要求4所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构，其特征在于：所述的电源模块进一步包括直流电源模块和驱动电机充电电容器组模块。

7.一种高压断路器永磁凸极电机操动机构的控制方法，对权利要求1所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构进行控制，其特征在于：包括以下步骤：

步骤4：当检测驱动电机的运动结束即断路器操作完成时，控制过程结束。

8.根据权利要求7所述的高压断路器永磁凸极电机操动机构的控制方法，其特征在于：步骤3.3所述的调节PWM信号占空比的大小，过程为：上位机根据断路器的实际操作工况分别设定电流和转速在改变PWM占空比中的权重，控制驱动电机运动。