Motorbetriebenes Steuersystem für Hochspannungsabdichter

Hochspannungs-Abschalter erfordern Betriebsmechanismen mit schneller Reaktionszeit und hohem Drehmoment. Die meisten derzeitigen motorbetriebenen Mechanismen verlassen sich auf eine Reihe von Reduktionselementen, doch die Steuerungssysteme für motorbetriebene Mechanismen erfüllen diese Anforderungen effektiv.

1. Übersicht über das Steuerungssystem für motorbetriebene Mechanismen von Hochspannungs-Abschaltern

1.1 Grundkonzept

Das Steuerungssystem für motorbetriebene Mechanismen bezieht sich hauptsächlich auf ein System, das eine Doppelschleifen-PID-Regelstrategie anwendet, um den Strom in den Motorenwicklungen und die Drehzahl zu steuern, wodurch die Bewegung des Mechanismus kontrolliert wird. Dies stellt sicher, dass die Kontakte des Abschalters (DS) bei bestimmten Wegpunkten vorgegebene Geschwindigkeiten erreichen, was die erforderlichen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten des Abschalters (DS) erfüllt.

Abschalter (DS) sind die am häufigsten verwendeten Hochspannungsschaltgeräte. Sie schaffen wirksam eine Isolierungslücke in Stromnetzen, erfüllen wichtige Trennfunktionen und spielen eine entscheidende Rolle bei der Leitungsumschaltung und der Busbar-Umkonfiguration. Die Hauptfunktion des Steuerungssystems für motorbetriebene Mechanismen besteht darin, Spannung und Strom automatisch zu überwachen, hochspannende Bereiche abzutrennen und Sicherheit in hochspannenden Bereichen zu gewährleisten.

1.2 Forschungsstand und Entwicklungsrichtungen

(1) Forschungsstand
In Hochspannungseinrichtungen werden Steuerungssysteme für motorbetriebene Mechanismen aufgrund ihrer einfachen Struktur und schnellen Betriebsweise weit verbreitet eingesetzt, da sie leicht zu steuern sind. Forschungsinstitute und Universitäten weltweit haben motorbetriebene Mechanismen klar von Feder- oder Hydraulikmechanismen unterschieden, indem sie deren strukturelle Einfachheit, bessere Stabilität, einfachere Druckgasspeicherungsmethoden und geringere Betriebskomplexität im Vergleich zu herkömmlichen Systemen hervorheben.

Funktional startet das System die Bewegung durch elektromagnetische Kräfte, die durch stromführende Spulen und interne Stromänderungen erzeugt werden. Seine Anwendung in Hochspannungseinrichtungen wird zunehmend zur Norm, und Wissenschaftler erzielen bemerkenswerte Fortschritte – sie verbessern ständig Motorantriebstechnologien und schlagen innovative Verbesserungen vor.

Während solche Systeme häufig bei Schaltgeräten eingesetzt werden, ist die Forschung zu ihrer Verwendung bei Abschaltern noch begrenzt. Obwohl Motoren und Steuerkomponenten Teil der motorbetriebenen Systeme von Abschaltern sind, existiert derzeit kein Direktantriebssystem, das einen Motor direkt zum Öffnen und Schließen der Kontakte verwendet – dies stellt erhebliche betriebliche Einschränkungen dar.

(2) Entwicklungszustand
Auf internationaler Ebene konkurrieren Hersteller von Abschaltern hauptsächlich, indem sie mechanische Strukturen verbessern und neue Materialien und Technologien integrieren, um die Leistung der Steuerungssysteme signifikant zu steigern.

In China hat sich mit dem stetigen Fortschritt der Energiewirtschaft die Zahl der Hersteller erheblich erhöht, und zahlreiche große Unternehmen für Schaltsteuerungssysteme sind entstanden. Inländische Hochspannungsabschaltersysteme entwickeln sich in Richtung höherer Spannungsniveaus, größerer Kapazität, erhöhter Zuverlässigkeit, reduzierter Wartung, Miniaturisierung und modularen Integration:

• Höhere Spannung und Kapazität stimmen mit den wachsenden nationalen Stromversorgungsanforderungen überein;

• Erhöhte Zuverlässigkeit verbessert die Stromtragfähigkeit;

• Fortschrittliche Materialien und Korrosionsschutztechniken erhöhen die mechanische Flexibilität und reduzieren die Wartungsbedürfnisse;

• Miniaturisierung erfüllt die wachsenden Anforderungen an Systemvielseitigkeit und Standardisierung.

2. Systemarchitektur des Steuerungssystems für motorbetriebene Mechanismen

2.1 BLDCM-Mechanismussystem

BLDCM steht für Brushless DC Motor. Es rektifiziert Wechselstrom in Gleichstrom und verwendet dann einen Inverter, um ihn wieder in gesteuerten Wechselstrom umzuwandeln. Das BLDCM besteht aus einem Synchronmotor und einem Treiber und ist ein elektromechanisches integriertes Produkt, das die Nachteile von gepanzerten Gleichstrommotoren überwindet, indem es mechanische Kommutatoren durch elektronische ersetzt.

Es kombiniert exzellente Drehzahlregelung mit der Robustheit von Wechselstrommotoren, bietet funkenfreie Kommutation, hohe Zuverlässigkeit und einfache Wartung. In Standby-Betriebsmechanismen für Hochspannungsabschalter sind BLDCMs normalerweise mit Endschaltern ausgestattet und treiben den DS direkt über einen Kurbelarm an, um Öffnungs- und Schließvorgänge durchzuführen – dies löst traditionelle Probleme wie übermäßige Verbindungen und strukturelle Komplexität effektiv.

2.2 DS-Mechanismussystem

"DS" bezeichnet den Hochspannungs-Abschalter, der kritische elektrische Isolation bietet. Mit einer einfachen Struktur und hoher Zuverlässigkeit werden DS-Einheiten weit verbreitet eingesetzt und spielen eine zentrale Rolle im Design, Bau und Betrieb von Umspannwerken und Kraftwerken.

In motorbetriebenen Steuerungssystemen verwendet das DS-Mechanismus in der Regel einen Digital Signal Processor (DSP) als zentralen Steuerprozessor, um die Gesamtfunktionen des Systems zu verwalten. Das System umfasst auch:

• Öffnen/Schließen-Isolationsantriebsteuerung;

• Motortstellungsbestimmung;

• Geschwindigkeitsmessung.

Für die Positionsbestimmung liefert der Positions-Sensor-Schaltkreis genaue Kommutations-signale an den Logik-Schaltkreis. Die Geschwindigkeit wird mit einem Encoder gemessen, der die Rotordrehzahl erfasst, wobei LED-Ausgangssignale die Drehgeschwindigkeit widerspiegeln.

Traditionelle Strommessung basiert auf Shunt-Widerständen, die unter Temperaturdrift leiden und die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus kann unzureichende elektrische Isolation zwischen externen und Steuerungsschaltkreisen Spannungsspitzen verstärken und die Systemsicherheit gefährden.

Im Schaltkreis für die Lade- und Entladekontrolle ersetzt das BLDCM-System den herkömmlichen Energiespeicher durch Kondensatoren. Die Kondensatorbank wird aufgeladen und dann von der externen Stromquelle getrennt, was die Sicherheit und Effizienz erhöht.

3. Designverbesserungen für das Steuerungssystem des motorbetriebenen Mechanismus

3.1 Schaltkreis zur Antriebssteuerung für Öffnen/Schließen

Dieser Schaltkreis regelt die Drehstromwickelströme durch die Steuerung von Leistungsschaltelementen und die Implementierung effektiver Strategien für die Schaltpfadführung. Er reduziert Überspannungen und Schaltverluste, wodurch sichere und stabile Komponentenoperation gewährleistet wird.

Wenn der Schalter aus ist, nimmt ein Kondensator über eine Diode den Abschaltstrom während des Aufladens auf. Wenn er eingeschaltet ist, erfolgt die Entladung über einen Widerstand. Schnellwiederherstellbare Dioden mit Nennströmen, die höher als die Hauptkreisbeurteilung sind, müssen verwendet werden. Um parasitäre Induktivitäten zu minimieren, werden Hochfrequenz-, hochleistungsfähige Snubberkondensatoren empfohlen.

3.2 Schaltkreis zur Motorpositionserkennung

Diese Konstruktion bestimmt die Positionen der Rotormagnetpole präzise, was eine genaue Kommutierungssteuerung der Statorwicklungen ermöglicht. Drei Hall-Effekt-Sensoren sind auf einem Hallscheibenmodul befestigt, während ein kreisförmiger Permanentmagneter das Magnetfeld des Motors simuliert, um die Positionspräzision zu verbessern. Bei der Rotation des Magnets variieren die Ausgänge der Hallsensoren deutlich, was eine präzise elektronische Rotorenpositionierung ermöglicht.

3.3 Schaltkreis zur Geschwindigkeitsmessung

Ein optischer Rotationsgeber, bestehend aus Infrarot-LED-Phototransistor-Optokopplern und einer geschlitzten Verschlussplatte, wird verwendet, um die Rotorgeschwindigkeit zu messen. Die Optokoppler sind in einem kreisförmigen Muster gleichmäßig verteilt. Die Verschlussplatte, die zwischen LEDs und Phototransistoren positioniert ist, enthält Fenster, die die Lichtübertragung modulieren, während sie rotiert. Das resultierende gepulste Ausgangssignal ermöglicht die Berechnung der Rotorbeschleunigung und -geschwindigkeit.

3.4 Schaltkreis zur Strommessung

Die traditionelle Messung mit Shunt-Widerständen leidet unter thermischer Drift und geringer Genauigkeit. Darüber hinaus besteht bei unzureichender elektrischer Isolation zwischen Leistungs- und Steuerungsschaltkreisen das Risiko, dass hohe Spannungsspitzen empfindliche Elektronik beschädigen.

Um dies zu beheben, verwendet das verbesserte Design einen elektrisch isolierten Hall-Effekt-Stromsensor. Während des Betriebs wird der Wechselstrom in den Motorklemmen gemessen, und ein Summierverstärker verarbeitet das Sensorergebnis. Nach proportionalem Skalieren wird ein sicherer, isolierter Stromsignal erhalten.

3.5 Schaltkreis zur Lade- und Entladekontrolle von Kondensatoren

Das BLDCM-System ersetzt den herkömmlichen Energiespeicher durch kondenatorbasierte Lösungen, was die Effizienz erheblich verbessert und die Lade- und Entladekontrolle vereinfacht. Ein digitaler Signalprozessor überwacht ständig die Kondensatorspannung und beendet die Ladung erst, wenn die Betriebsschwellen erreicht sind. Dieses Design zeichnet sich durch exzellentes Energiemanagement und Signalerfassung aus, was eine präzise Schaltungskontrolle ermöglicht.

4. Schlussfolgerung

Das Steuerungssystem für den motorbetriebenen Mechanismus von Hochspannungs-Abschiebern stellt eine strategische Antwort auf steigende Energiebedarfe und ein Engagement für den Schutz moderner Lebensstandards dar. Indem es langjährige Einschränkungen herkömmlicher Abschieber wirksam löst, spielt dieses System eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Zuverlässigkeit, Effizienz und Intelligenz der Energieinfrastruktur.