Sistema de Control de Mecanismos Motorizados para Desconectores de Alta Tensión
Los interruptores de alta tensión requieren mecanismos de operación con respuesta rápida y alto par de salida. La mayoría de los mecanismos motorizados actuales dependen de una serie de componentes de reducción, sin embargo, los sistemas de control de mecanismos motorizados cumplen eficazmente con estos requisitos.
1. Visión general del sistema de control de mecanismo motorizado para interruptores de alta tensión
1.1 Concepto básico
El sistema de control de mecanismo motorizado se refiere principalmente a un sistema que emplea una estrategia de control PID de doble bucle para regular la corriente en el devanado del motor y la velocidad de rotación, lo que controla el movimiento del mecanismo. Esto asegura que los contactos del interruptor alcancen velocidades especificadas en puntos de recorrido designados, satisfaciendo las velocidades de apertura y cierre requeridas del interruptor (DS).
Los interruptores (DS) son el tipo más ampliamente utilizado de equipo de conmutación de alta tensión. Establecen eficazmente una brecha de aislamiento en las redes eléctricas, cumpliendo funciones de aislamiento críticas y desempeñando un papel vital en la conmutación de líneas y la reconfiguración de barras colectoras. La función principal del sistema de control de mecanismo motorizado es monitorear automáticamente el voltaje y la corriente, aislar las secciones de alta tensión y garantizar la seguridad en áreas de alta tensión.
1.2 Estado de la investigación y tendencias de desarrollo
(1) Estado de la investigación
En equipos de alta tensión, los sistemas de control de mecanismo motorizado son ampliamente adoptados debido a su estructura simple y operación rápida, ofreciendo facilidad de control. Las instituciones de investigación y universidades de todo el mundo han diferenciado claramente los mecanismos motorizados de los mecanismos de resorte o hidráulicos, destacando su simplicidad estructural, estabilidad superior, métodos de almacenamiento de gas comprimido más sencillos y menor complejidad operativa en comparación con los sistemas convencionales.
Operativamente, el sistema inicia el movimiento mediante la fuerza electromagnética generada por bobinas portadoras de corriente y variaciones internas de corriente. Su aplicación en equipos de alta tensión está convirtiéndose en una tendencia, con académicos logrando progresos notables—refinando continuamente las tecnologías de accionamiento motor y proponiendo mejoras innovadoras.
Aunque tales sistemas se aplican comúnmente a interruptores de circuito, la investigación sobre su uso en interruptores sigue siendo limitada. Aunque los motores y componentes de control forman parte de los sistemas motorizados de interruptores, no existe actualmente un sistema de accionamiento directo que utilice un motor para actuar directamente en la apertura/cierre de los contactos—lo que plantea limitaciones operativas significativas.
(2) Estado de desarrollo
A nivel internacional, los fabricantes de interruptores compiten principalmente mejorando las estructuras mecánicas e integrando nuevos materiales y tecnologías para mejorar significativamente el rendimiento de los sistemas de control.
En China, con el avance constante de la industria eléctrica, el número de fabricantes ha crecido sustancialmente, y han surgido numerosas empresas de grandes sistemas de control de conmutadores. Los sistemas de interruptores de alta tensión nacionales evolucionan hacia tensiones y capacidades más altas, mayor confiabilidad, menos mantenimiento, miniaturización e integración modular:
Tensiones y capacidades más altas alineadas con las crecientes demandas de suministro eléctrico nacional;
Mayor confiabilidad mejora la capacidad de conducción de corriente;
Materiales avanzados y técnicas anticorrosivas aumentan la flexibilidad mecánica y reducen las necesidades de mantenimiento;
Miniaturización cumple con las crecientes demandas de versatilidad y estandarización del sistema.
2. Arquitectura del sistema de control de mecanismo motorizado
2.1 Sistema de mecanismo BLDCM
BLDCM significa Motor de Corriente Continua Sin Escobillas. Rectifica la energía alterna en continua y luego utiliza un inversor para convertirla nuevamente en alterna controlada. Compuesto por un motor síncrono y un conductor, el BLDCM es un producto electromecánico integrado que supera las desventajas de los motores de corriente continua con escobillas reemplazando los conmutadores mecánicos por electrónicos.
Combina una excelente regulación de velocidad con la robustez de los motores de corriente alterna, caracterizándose por la conmutación sin chispas, alta confiabilidad y fácil mantenimiento. En mecanismos de operación en espera para interruptores de alta tensión, los BLDCM suelen estar equipados con interruptores de fin de carrera y conducen directamente el DS a través de un brazo de manivela para realizar operaciones de apertura/cierre—solucionando eficazmente problemas tradicionales como excesivos enlaces y complejidad estructural.
2.2 Sistema de mecanismo DS
"DS" denota el interruptor de alta tensión, que proporciona aislamiento eléctrico crítico. Con una estructura simple y alta confiabilidad, las unidades DS se utilizan extensivamente y juegan un papel crucial en el diseño, construcción y operación de subestaciones y centrales eléctricas.
En los sistemas de control motorizado, el mecanismo DS suele utilizar un Procesador de Señal Digital (DSP) como controlador central para gestionar las funciones del sistema. El sistema también incluye:
Control de conducción de aislamiento de apertura/cierre;
Detección de posición del motor;
Detección de velocidad.
Para la detección de posición, el circuito de detección de posición proporciona señales de conmutación precisas al circuito de conmutación lógica. La velocidad se mide utilizando un codificador que detecta la velocidad del rotor, con señales de salida LED que reflejan la velocidad de rotación.
La detección de corriente tradicional depende de resistencias shunt, que sufren deriva inducida por temperatura, comprometiendo la precisión de la medición. Además, la insuficiente aislación eléctrica entre los circuitos externos y de control puede amplificar los sobretensiones, amenazando la seguridad del sistema.
En el diseño del circuito de control de carga/descarga, el sistema BLDCM reemplaza la almacenación de energía convencional con condensadores. El banco de condensadores se carga y luego se aísla de la fuente de alimentación externa, mejorando la seguridad y la eficiencia.
3. Mejoras en el Diseño del Sistema de Control del Mecanismo Operado por Motor
3.1 Circuito de Control de Conducción/Aislamiento de Conmutación
Este circuito controla las corrientes de los devanados trifásicos mediante la gestión de dispositivos de conmutación de potencia e implementando estrategias efectivas para la trayectoria de conmutación. Mitiga la sobretensión transitoria y las pérdidas de conmutación, asegurando un funcionamiento seguro y estable de los componentes.
Cuando el interruptor está apagado, un condensador absorbe la corriente de corte a través de un diodo durante la carga. Cuando está encendido, se produce una descarga a través de un resistor. Se deben utilizar diodos de recuperación rápida con corrientes nominales superiores a la calificación del circuito principal. Para minimizar la inductancia parásita, se recomienda el uso de condensadores snubber de alta frecuencia y alto rendimiento.
3.2 Circuito de Detección de Posición del Motor
Este diseño determina con precisión las posiciones de los polos magnéticos del rotor, permitiendo un control de conmutación preciso de los devanados del estator. Tres sensores de efecto Hall se fijan en un disco Hall, mientras que un imán permanente circular simula el campo magnético del motor para mejorar la precisión de la posición. A medida que gira el imán, las salidas de los sensores de Hall varían de manera distinta, permitiendo una posicionamiento electrónico preciso del rotor.
3.3 Circuito de Detección de Velocidad
Se utiliza un codificador rotativo óptico—compuesto por optocuplas de LED infrarrojo–fototransistores y un disco de obturador con ranuras—para medir la velocidad del rotor. Las optocuplas están distribuidas uniformemente en un patrón circular. El disco de obturador, situado entre los LEDs y los fototransistores, contiene ventanas que modulan la transmisión de luz a medida que gira. La señal de salida pulsada resultante permite calcular la aceleración y la velocidad del rotor.
3.4 Circuito de Detección de Corriente
La detección basada en resistencias shunt tradicionales sufre de deriva térmica y poca precisión. Además, la insuficiente aislamiento eléctrico entre los circuitos de potencia y control arriesga dañar la electrónica sensible con transitorios de alto voltaje.
Para abordar esto, el diseño mejorado emplea un sensor de corriente de efecto Hall aislado eléctricamente. Durante la operación, la corriente alterna en los devanados del motor es detectada, y un amplificador sumador procesa la salida del sensor. Después de un escalado proporcional, se obtiene una señal de corriente segura y aislada.
3.5 Circuito de Control de Carga/Descarga de Condensadores
El sistema BLDCM reemplaza la almacenación de energía convencional con soluciones basadas en condensadores, mejorando significativamente la eficiencia y simplificando el control de carga/descarga. Un procesador de señales digitales monitorea continuamente el voltaje del condensador y termina la carga solo cuando se cumplen los umbrales operativos. Este diseño destaca en la gestión de energía y la adquisición de señales, permitiendo un control de circuito preciso.
4. Conclusión
El sistema de control del mecanismo operado por motor para disyuntores de alta tensión representa una respuesta estratégica a la creciente demanda de energía y un compromiso con la protección de los estándares de vida modernos. Al resolver eficazmente las limitaciones de larga data de los disyuntores tradicionales, este sistema desempeña un papel crucial en el avance de la confiabilidad, la eficiencia y la inteligencia de la infraestructura de energía.
