Sistema de control de mecanisme motoritzat per interruptors d'alta tensió

Els interruptors de alta tensió requereixen mecanismes d'operació amb resposta ràpida i gran parell de sortida. La majoria dels mecanismes actuals basats en motors es basen en una sèrie de components de reducció, però els sistemes de control de mecanismes operats per motor satisfan efectivament aquests requisits.

1. Visió general del sistema de control de mecanismes operats per motor per a interruptors de alta tensió

1.1 Concepte bàsic

El sistema de control de mecanismes operats per motor es refereix principalment a un sistema que utilitza una estratègia de control PID de doble bucle per regular la corrent del voltant del motor i la velocitat de rotació, controlant així el moviment del mecanisme. Això assegura que els contactes de l'interruptor arribin a velocitats especificades en punts de desplaçament designats, satisfent les velocitats d'obertura i tancament requerides de l'interruptor (DS).

Els interruptors (DS) són el tipus més ampliament utilitzat de maquinari de commutació de alta tensió. Estableixen eficientment un forat d'aislament en les xarxes elèctriques, assumint funcions crítiques d'isolament i jugant un paper vital en la commutació de línies i la reconfiguració de barres de distribució. La funció principal del sistema de control de mecanismes operats per motor és monitorar automàticament la tensió i la corrent, aïllar seccions de alta tensió i assegurar la seguretat en àrees de alta tensió.

1.2 Estat de la recerca i tendències de desenvolupament

(1) Estat de la recerca
A l'equipament de alta tensió, els sistemes de control de mecanismes operats per motor són ampliament adoptats degut a la seva estructura simple i la seva ràpida operació, oferint facilitat de control. Les institucions de recerca i universitats de tot el món han diferenciat clarament els mecanismes operats per motor dels mecanismes de molla o hidràulics, destacant la seva simplicitat estructural, superior estabilitat, mètodes de emmagatzematge de gas comprimit més simples i menor complexitat operativa en comparació amb els sistemes convencionals.

Operativament, el sistema inicia el moviment a través de la força electromagnètica generada pels voltants portadors de corrent i les variacions internes de corrent. La seva aplicació en equipament de alta tensió està esdevenint una tendència, amb erudits que assolen progrés notable — refinant continuament les tecnologies de conducció de motors i proposant millores innovadores.

Encara que aquests sistemes s'apliquen comunament a interrumptors, la recerca sobre la seva utilització en interruptors de separació encara és limitada. Tot i que els motors i els components de control formen part dels sistemes de mecanismes operats per motor d'interruptors, no existeix cap sistema de conducció directa que utilitzi un motor per actuar directament en l'obertura/tancament dels contactes — posant limitacions operatives significatives.

(2) Estat de desenvolupament
Internacionalment, els fabricants d'interruptors competeixen principalment millorant les estructures mecàniques i integrant nous materials i tecnologies per millorar significativament el rendiment dels sistemes de control.

A la Xina, amb l'avanç constant de l'indústria elèctrica, el nombre de fabricants ha crescut substancialment, i han emergit nombroses empreses grans de sistemes de control de commutadors. Els sistemes d'interruptors de alta tensió locals evolucionen cap a tensions més altes, capacitat més gran, fiabilitat millorada, menys manteniment, miniaturització i integració modular:

• Tensions i capacitats més altes es corresponen amb la creixent demanda nacional de subministrament elèctric;

• Fiabilitat millorada millora la capacitat de portar corrent;

• Materials avançats i tècniques anticorrosives augmenten la flexibilitat mecànica i redueixen les necessitats de manteniment;

• Miniaturització respon a la creixent demanda de versatilitat i estandarització del sistema.

2. Arquitectura del sistema de control de mecanismes operats per motor

2.1 Sistema de mecanisme BLDCM

BLDCM significa Motor de Corrent Continua Sense Escoves. Converteix la corrent alternada en corrent contínua i després utilitza un inversor per convertir-la de nou en corrent alternada controlada. Compost per un motor síncron i un conductor, el BLDCM és un producte integrat electro-mecànic que supera els defectes dels motors de corrent contínua amb escoves substituint els comutadors mecànics per uns electrònics.

Combina una regulació de velocitat excel·lent amb la robustesa dels motors de corrent alternada, caracteritzant-se per la commutació sense esclat, alta fiabilitat i fàcil manteniment. En els mecanismes d'operació en espera per a interruptors de separació de alta tensió, els BLDCM solen estar dotats de commutadors de límit i conduir directament el DS a través d'un braç de manivela per realitzar operacions d'obertura/tancament — resolent efectivament problemes tradicionals com l'exces de connexions i la complexitat estructural.

2.2 Sistema de mecanisme DS

"DS" denota l'interruptor de separació de alta tensió, que proporciona aïllament elèctric crític. Amb una estructura simple i alta fiabilitat, les unitats DS s'utilitzen extensament i juguen un paper pivotal en el disseny, construcció i operació de subestacions i centrals elèctriques.

En els sistemes de control operats per motor, el mecanisme DS sol utilitzar un Processador de Senyal Digital (DSP) com a controlador central per gestionar les funcions generals del sistema. El sistema també inclou:

• Control de conducció d'aïllament d'obertura/tancament;

• Detecció de la posició del motor;

• Detecció de velocitat.

Per a la detecció de la posició, el circuit de detecció de posició proporciona senyals de commutació precisos al circuit de commutació lògic. La velocitat es mesura utilitzant un codificador que detecta la velocitat del rotor, amb senyals de sortida LED que reflecteixen la velocitat de rotació.

La detecció de corrent tradicional es basa en resistors de derivació, que sofreixen drift provocat per la temperatura, comprometent la precisió de la mesura. A més, l'insuficient aïllament elèctric entre els circuits externs i de control pot amplificar els picats de tensió, amenaçant la seguretat del sistema.

En el disseny del circuit de control de càrrega/descàrrega, el sistema BLDCM reemplaça l'emmagatzematge d'energia convencional amb condensadors. El banc de condensadors es carrega i després s'alla de la font d'alimentació externa, augmentant la seguretat i l'eficiència.

3. Milloraments en el Disseny del Sistema de Control del Mecanisme Operat per Motor

3.1 Circuit de Control de Conducció d'Isolació Obertura/Tancament

Aquest circuit controla les corrents de bobinades trifàsiques gestionant dispositius de commutació d'energia i implementant estratègies efectives per a la trajectòria de commutació. Mitiga la sobretensió transitoria i les pèrdues de commutació, assegurant una operació segura i estable dels components.

Quan el commutador està apagat, un condensador absorbeix la corrent d'apagada a través d'un diode durant la càrrega. Quan està encès, es produeix la descàrrega a través d'una resistència. S'han d'utilitzar diodes de recuperació ràpida amb corrents nòminals superiors a la classificació del circuit principal. Per minimitzar l'inductància paràsita, es recomana l'ús de condensadors snubber de freqüència alta i alt rendiment.

3.2 Circuit de Detecció de Posició del Motor

Aquest disseny determina amb precisió les posicions dels pols magnètics del rotor, permetent un control de conmutació precis de les bobines del stator. Tres sensors d'efecte Hall són fixats en un disc de Hall, mentre que un imant permanent circular simula el camp magnètic del motor per millorar la precisió posicional. A mesura que gira l'imant, les sortides dels sensors Hall varien distintament, permetent una posició electrònica precisa del rotor.

3.3 Circuit de Detecció de Velocitat

S'utilitza un codificador rotatiu òptic—compost per optocuples LED infraroja-fototransistor i un disc obturat—per mesurar la velocitat del rotor. Les optocuples estan distribuïdes uniformement en un patró circular. El disc obturat, situat entre els LEDs i els fototransistors, conté finestres que modulen la transmissió de llum quan gira. La senyal de sortida pulsada resultant permet calcular l'acceleració i la velocitat del rotor.

3.4 Circuit de Detecció de Corrent

La detecció basada en resistors shunt tradicionals sofreix de deriva tèrmica i baixa precisió. A més, l'insuficient aïllament elèctric entre els circuits de potència i de control suposa un risc que els transients de voltagi elevat puguin enderrocar els electrònics sensibles.

Per abordar això, el disseny millorat utilitza un sensor de corrent d'efecte Hall aïllat elèctricament. Durant l'operació, es detecta la corrent alternada en les bobines del motor, i un amplificador sumador processa la sortida del sensor. Després d'una escalat proporcional, es obtenen una senyal de corrent segura i aïllada.

3.5 Circuit de Control de Càrrega/Descàrrega del Condensador

El sistema BLDCM reemplaça l'emmagatzematge d'energia convencional amb solucions basades en condensadors, millorant significativament l'eficiència i simplificant el control de càrrega/descàrrega. Un processador de senyal digital monitoritza continuament la tensió del condensador i interromp la càrrega només quan es compleixen els llindars operatius. Aquest disseny excel·leix en la gestió d'energia i l'adquisició de senyals, permetent un control de circuit precís.

4. Conclusió

El sistema de control del mecanisme operat per motor per a interruptors de separació de voltagi elevat representa una resposta estratègica a la creixent demanda d'energia i un compromís per protegir els estàndards de vida moderns. Resolvant eficàcement les limitacions històriques dels interruptors de separació tradicionals, aquest sistema juga un paper clau en avançar la fiabilitat, l'eficiència i la intel·ligència de la infraestructura elèctrica.