Systém řízení motorového mechanismu pro vysokonapěťové vypínače

Vysokonapěťové odpojovače vyžadují pohonné mechanismy s rychlou odezvou a vysokým výstupním točivým momentem. Většina současných motorových mechanismů se spoléhá na sérii redukčních komponent, nicméně systémy řízení motorových mechanismů efektivně splňují tyto požadavky.

1. Přehled systému řízení motorových mechanismů pro vysokonapěťové odpojovače

1.1 Základní koncept

Systém řízení motorových mechanismů se především týká systému, který používá dvojitou smyčku PID řízení k regulaci proudového toku cívky motoru a otáček, což umožňuje ovládání pohybu mechanismu. Toto zajišťuje, že kontakty odpojovače dosahují stanovených rychlostí v určených bodech pohybu, splňujíc tak požadované rychlosti otevírání a zavírání odpojovače (DS).

Odpojovače (DS) jsou nejrozšířenějším typem vysokonapěťového přepínacího zařízení. Efektivně vytvářejí izolační mez ve svazcích elektrické energie, plní klíčové funkce izolace a hrají důležitou roli v přepínání linek a rekonfiguraci sběrných činžel. Hlavní funkcí systému řízení motorových mechanismů je automatické monitorování napětí a proudu, izolace vysokonapěťových částí a zajištění bezpečnosti v oblastech s vysokým napětím.

1.2 Stav výzkumu a vývojové trendy

(1) Stav výzkumu
V vysokonapěťovém zařízení jsou systémy řízení motorových mechanismů široce používány díky své jednoduché struktuře a rychlému chodu, nabízejí snadné ovládání. Výzkumné instituce a univerzity po celém světě jasně odlišují motorové mechanismy od pružinových nebo hydraulických mechanismů, zdůrazňují jejich strukturní jednoduchost, vynikající stabilitu, jednodušší metody ukládání stlačeného plynu a nižší složitost provozu v porovnání s tradičními systémy.

Operativně systém iniciuje pohyb prostřednictvím elektromagnetické síly generované proudovými cívkami a vnitřními změnami proudu. Jeho použití v vysokonapěťovém zařízení se stává trendem, s významnými pokroky dosaženými výzkumníky, kteří neustále zdokonalují technologie motorového pohonu a navrhují inovativní vylepšení.

Ačkoli takové systémy jsou běžně používány u vypínačů, výzkum jejich použití u odpojovačů zůstává omezený. Ačkoli motory a kontrolní komponenty jsou součástí motorových systémů odpojovačů, žádný přímý pohon, který by přímo poháněl otevírání/zavírání kontaktů pomocí motoru, neexistuje, což představuje významné operační omezení.

(2) Stav vývoje
Mezinárodně se výrobci odpojovačů především soutěží vylepšováním mechanických struktur a integrací nových materiálů a technologií, aby významně zlepšili výkonnost řídicích systémů.

V Číně, s postupným rozvojem energetického průmyslu, se počet výrobců značně zvýšil a vzniklo množství velkých firem zabývajících se systémy řízení přepínacích zařízení. Domácí systémy vysokonapěťových odpojovačů se vyvíjejí směrem k vyšším napětím, větší kapacitě, zvýšené spolehlivosti, snížené údržbě, miniaturizaci a modulární integraci:

• Vyšší napětí a kapacita odpovídají rostoucím národním požadavkům na dodávku elektrické energie;

• Zvýšená spolehlivost zlepšuje schopnost nést proud;

• Pokročilé materiály a protikorozní techniky zvyšují mechanickou flexibilitu a snižují potřebu údržby;

• Miniaturizace odpovídá rostoucím požadavkům na variabilitu a standardizaci systému.

2. Architektura systému řízení motorových mechanismů

2.1 Systém BLDCM mechanismu

BLDCM znamená bezkartáčový stejnosměrný motor. Převádí střídavý proud na stejnosměrný a pak ho pomocí inverteru převede zpět na kontrolovaný střídavý proud. Složený ze synchronního motoru a řidiče, BLDCM je elektromechanický integrovaný produkt, který překonává nedostatky kartáčových stejnosměrných motorů nahrazením mechanických komutátorů elektronickými.

Kombinuje vynikající regulaci otáček s robustností střídavých motorů, s beztřískovou komutací, vysokou spolehlivostí a snadnou údržbou. V rezervních mechanismech pro vysokonapěťové odpojovače jsou BLDCM obvykle vybaveny konecovými spínači a přímo pohánějí DS pomocí kolébky k provedení operací otevírání/zavírání – efektivně řeší tradiční problémy jako nadměrné propojení a strukturní složitost.

2.2 Systém DS mechanismu

"DS" označuje vysokonapěťový odpojovač, který poskytuje klíčovou elektrickou izolaci. S jednoduchou strukturou a vysokou spolehlivostí jsou jednotky DS široce používány a hrají klíčovou roli v návrhu, stavbě a provozu transformačních stanic a elektráren.

V systémech řízení motorových mechanismů obvykle systém DS používá číslicový signálový procesor (DSP) jako jádrového kontroléra pro správu celkových funkcí systému. Systém dále zahrnuje:

• Řízení otevírání/zavírání izolace pohonu;

• Detekce polohy motoru;

• Detekce rychlosti.

Pro detekci polohy poskytuje obvod detekce polohy přesné signály pro komutaci logickému přepínačovému obvodu. Rychlost se měří pomocí encoderu, který detekuje rychlost rotoru, s LED výstupními signály, které odrážejí otáčkovou rychlost.

Tradiční detekce proudu se opírá o shuntové odpory, které trpí driftováním způsobeným teplotou, což narušuje přesnost měření. Kromě toho nedostatečná elektrická izolace mezi externími a kontrolními obvody může zesílit nárazy napětí, ohrožujíc tak bezpečnost systému.

V návrhu obvodu pro kontrolu nabíjení a vybíjení systém BLDCM nahrazuje tradiční úložiště energie kondenzátory. Banka kondenzátorů se nabije a pak je izolována od externího zdroje napájení, což zvyšuje bezpečnost a efektivitu.

3. Vylepšení návrhu systému řízení pohonu mechanismu

3.1 Otevírací/zavírací obvod pro ovládání izolačního pohonu

Tento obvod řídí proudy v třífázových vinutích správou přepínacích prvků a implementací efektivních strategií pro trajektorii přepnutí. Zmírňuje přechodné přetlaky a ztráty při přepínání, zajistí tak bezpečnou a stabilní operaci komponent.

Když je přepínač vypnutý, kondenzátor absorbuje vypínací proud přes diodu během nabíjení. Když je zapnutý, dochází k vybíjení přes odporník. Je nutné použít rychlé obnovovací diody s nominálním proudem vyšším než hodnota hlavního obvodu. Pro minimalizaci parazitní indukce se doporučují vysokofrekvenční, vysokovýkonné snubberové kondenzátory.

3.2 Obvod pro detekci polohy motoru

Tento návrh přesně určuje polohy magnetických póle rotoru, umožňuje tak přesné komutace řízení vinutí statoru. Tři čidlo Hall jsou umístěny na disku Hall, zatímco kruhový trvalý magnet simuluje magnetické pole motoru pro zlepšení přesnosti polohy. Při rotaci magnetu se výstupy čidel Hall výrazně mění, což umožňuje přesné elektronické pozicionování rotoru.

3.3 Obvod pro detekci rychlosti

Pro měření rychlosti rotoru se používá optický rotační kódér – složený z optokuplírů s červeně červeným LED a fototransistoru a kotouče s otvory. Optokuplíry jsou rovnoměrně rozprostřeny do kruhu. Kotouč s otvory, umístěný mezi LED a fototransistory, moduluje průchod světla při rotaci. Výsledný pulzní signál umožňuje výpočet akcelerace a rychlosti rotoru.

3.4 Obvod pro detekci proudu

Tradiční detekce založená na shuntových odpornech trpí tepelným driftom a nízkou přesností. Navíc nedostatečná elektrická izolace mezi obvody napájení a řízení ohrožuje citlivou elektroniku vysokovoltážními přechodovými jevy.

Pro řešení tohoto problému vylepšený návrh používá elektricky izolované čidlo proudu na principu Hall. Během provozu se detekuje střídavý proud v vinutích motoru a součtový zesilovač zpracovává výstup čidlo. Po proporcionálním škálování se získá bezpečný, izolovaný signál proudu.

3.5 Obvod pro kontrolu nabíjení a vybíjení kondenzátoru

Systém BLDCM nahrazuje tradiční úložiště energie řešeními založenými na kondenzátorech, což významně zvyšuje efektivitu a zjednodušuje kontrolu nabíjení a vybíjení. Digitální signalový procesor neustále monitoruje napětí kondenzátoru a ukončuje nabíjení pouze tehdy, když jsou dosaženy operační limity. Tento návrh exceluje v řízení energie a získávání signálů, umožňuje přesné řízení obvodu.

4. Závěr

Řídicí systém pohonu mechanismu pro vysokovoltážní vypínače představuje strategickou reakci na rostoucí poptávku po energii a závazek ochraňovat moderní životní standardy. Efektivním řešením dlouhodobých omezení tradičních vypínačů tento systém hraje klíčovou roli ve zlepšování spolehlivosti, efektivity a inteligence energetické infrastruktury.