سیستم کنترل مکانیسم با موتور برای دیسکانکتورهای فشار قوی

قطع‌کننده‌های ولتاژ بالا به مکانیزم‌های عملیاتی با پاسخ سریع و گشتاور خروجی بالا نیاز دارند. اکثر مکانیزم‌های موتوری فعلی بر روی مجموعه‌ای از اجزای کاهش دهنده تکیه می‌کنند، اما سیستم‌های کنترل مکانیزم‌های موتوری مؤثر به طور موثر این نیازها را برآورده می‌کنند.

۱. مروری بر سیستم کنترل مکانیزم موتوری برای قطع‌کننده‌های ولتاژ بالا

۱.۱ مفهوم اساسی

سیستم کنترل مکانیزم موتوری عمدتاً به یک سیستم اشاره دارد که استراتژی کنترل PID دو حلقه‌ای را برای تنظیم جریان پیچ موتور و سرعت چرخشی استفاده می‌کند، بنابراین حرکت مکانیزم را کنترل می‌کند. این امر مطمئن می‌کند که تماس‌های قطع‌کننده به سرعت مشخص شده در نقاط سفر مشخص رسیده و سرعت‌های لازم برای باز و بسته شدن قطع‌کننده (DS) را تأمین می‌کند.

قطع‌کننده‌ها (DS) محبوب‌ترین نوع تجهیزات سوئیچ ولتاژ بالا هستند. آنها به طور مؤثر فاصله عایقی در شبکه‌های برق ایجاد می‌کنند، وظایف جداکننده مهم را انجام می‌دهند و نقش حیاتی در تغییر خط و بازنگری مادر برق دارند. وظیفه اصلی سیستم کنترل مکانیزم موتوری، نظارت خودکار بر ولتاژ و جریان، جدا کردن بخش‌های ولتاژ بالا و تضمین ایمنی در مناطق ولتاژ بالا است.

۱.۲ وضعیت تحقیقاتی و روندهای توسعه

(۱) وضعیت تحقیقاتی
در تجهیزات ولتاژ بالا، سیستم‌های کنترل مکانیزم موتوری به دلیل ساختار ساده و عملکرد سریع خود و قابلیت کنترل آسان، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌های جهانی به طور واضح مکانیزم‌های موتوری را از مکانیزم‌های فنری یا هیدرولیکی متمایز کرده‌اند، و ساختار ساده‌تر، پایداری بهتر، روش‌های ذخیره‌سازی گاز فشرده ساده‌تر و پیچیدگی عملیاتی کمتر نسبت به سیستم‌های معمولی را برجسته می‌کنند.

از نظر عملیاتی، سیستم با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی که توسط سیم‌پیچ‌های حامل جریان و تغییرات جریان داخلی تولید می‌شود، حرکت را آغاز می‌کند. کاربرد آن در تجهیزات ولتاژ بالا به یک روند تبدیل شده است و دانشمندان پیشرفت‌های قابل توجهی داشته‌اند—به طور مداوم تکنولوژی‌های موتوری را تکامل می‌دهند و بهبودهای نوآورانه پیشنهاد می‌کنند.

با این حال، چنین سیستم‌هایی عموماً به برش‌کننده‌ها اعمال می‌شوند، اما تحقیقات درباره استفاده از آنها در قطع‌کننده‌ها محدود است. اگرچه موتورها و اجزای کنترلی بخشی از سیستم‌های موتوری قطع‌کننده هستند، اما سیستم مستقیم‌رانی که از موتور برای عملیات مستقیم باز و بسته شدن تماس‌ها استفاده می‌کند وجود ندارد—این مسئله محدودیت‌های عملیاتی قابل توجهی ایجاد می‌کند.

(۲) وضعیت توسعه
در سطح بین‌المللی، تولیدکنندگان قطع‌کننده عموماً با بهبود ساختارهای مکانیکی و یکپارچه سازی مواد و تکنولوژی‌های جدید رقابت می‌کنند تا عملکرد سیستم کنترل را به طور قابل توجهی افزایش دهند.

در چین، با پیشرفت مداوم صنعت برق، تعداد تولیدکنندگان به طور قابل توجهی افزایش یافته و شرکت‌های بزرگ کنترل سیستم سوئیچ متعددی ظاهر شده‌اند. سیستم‌های قطع‌کننده ولتاژ بالای داخلی در حال تحول به ولتاژ و ظرفیت بالاتر، قابلیت اطمینان بیشتر، نیاز به نگهداری کمتر، کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی ماژولی هستند:

• ولتاژ و ظرفیت بالاتر با نیازهای رشدی تأمین برق ملی همخوانی دارد؛

• قابلیت اطمینان بیشتر توان جریان‌رسانی را افزایش می‌دهد؛

• مواد پیشرفته و تکنیک‌های ضد فرسودگی انعطاف‌پذیری مکانیکی را افزایش می‌دهند و نیاز به نگهداری را کاهش می‌دهند؛

• کوچک‌سازی نیازهای رشدی به انعطاف‌پذیری و استانداردسازی سیستم را تأمین می‌کند.

۲. معماری سیستم کنترل مکانیزم موتوری

۲.۱ سیستم مکانیزم BLDCM

BLDCM مخفف موتور DC بدون فرش است. این موتور برق AC را به DC تبدیل کرده و سپس با استفاده از یک انویرتر آن را به AC کنترل‌شده تبدیل می‌کند. شامل یک موتور همزمان و راننده، BLDCM محصولی یکپارچه الکترومکانیکی است که با جایگزینی کموناتورهای مکانیکی با الکترونیکی، معایب موتورهای DC با فرش را رفع می‌کند.

این موتور ترکیبی از تنظیم سرعت عالی و استحکام موتورهای AC را دارد، با تبادل بدون اسپارک، قابلیت اطمینان بالا و نگهداری آسان. در مکانیزم‌های عملیاتی ایستگاهی برای قطع‌کننده‌های ولتاژ بالا، BLDCM‌ها معمولاً با سوئیچ‌های حدی تجهیز شده و به طور مستقیم از طریق یک بازوی دوار DS را برای انجام عملیات باز و بسته شدن می‌رانند—به طور مؤثر مشکلات سنتی مانند پیوندهای زیاد و پیچیدگی ساختاری را حل می‌کنند.

۲.۲ سیستم مکانیزم DS

"DS" مخفف قطع‌کننده ولتاژ بالا است که جداسازی الکتریکی بحرانی را ارائه می‌دهد. با ساختار ساده و قابلیت اطمینان بالا، واحد‌های DS به طور گسترده استفاده می‌شوند و نقش حیاتی در طراحی، ساخت و عملیات زیرساخت‌های برق و نیروگاه‌ها دارند.

در سیستم‌های کنترل موتوری، مکانیزم DS معمولاً از پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) به عنوان کنترل‌کننده اصلی برای مدیریت کلی عملکرد سیستم استفاده می‌کند. سیستم همچنین شامل موارد زیر است:

• کنترل رانش جداسازی باز/بسته شدن؛

• تشخیص موقعیت موتور؛

• تشخیص سرعت.

برای تشخیص موقعیت، مدار تشخیص موقعیت سیگنال‌های کموناتوری دقیق را به مدار سوئیچ منطقی ارائه می‌دهد. سرعت با استفاده از یک کدگذار که سرعت روتور را تشخیص می‌دهد، اندازه‌گیری می‌شود و سیگنال‌های خروجی LED سرعت چرخش را نشان می‌دهند.

تشخیص جریان سنتی بر روی مقاومت‌های شانت تکیه می‌کند که با تغییرات دما، انحراف دمایی ایجاد می‌کنند و دقت اندازه‌گیری را کاهش می‌دهند. علاوه بر این، عدم کافی بودن جداسازی الکتریکی بین مدارهای خارجی و کنترلی می‌تواند سوپر واژگونی ولتاژ را تقویت کند و ایمنی سیستم را تهدید کند.

در طراحی مدار کنترل شارژ/رها کردن، سیستم BLDCM ظرفیت‌های خازنی را به جای ذخیره‌سازی انرژی معمولی استفاده می‌کند. بانک خازن شارژ شده و سپس از منبع تغذیه خارجی جدا می‌شود که امنیت و کارایی را افزایش می‌دهد.

3. بهبودهای طراحی برای سیستم کنترل مکانیسم با موتور

3.1 مدار کنترل درایو عزل باز/بسته

این مدار با مدیریت دستگاه‌های تغییر وضعیت قدرت و اجرای استراتژی‌های موثر برای مسیرهای تغییر وضعیت، جریان‌های پیچه‌های سه‌فاز را کنترل می‌کند. این عمل باعث کاهش ولتاژ فراگذر و ضایعات تغییر وضعیت می‌شود و عملکرد اجزا را ایمن و پایدار می‌کند.

وقتی که تغییر وضعیت خاموش است، خازن از طریق یک دیود در حین شارژ، جریان خاموش شدن را جذب می‌کند. وقتی روشن است، رها کردن از طریق یک مقاومت انجام می‌شود. باید دیودهای بازیابی سریع با جریان نامی بیشتر از جریان مدار اصلی استفاده شود. برای کاهش القای جانبی، استفاده از خازن‌های سنوبر با فرکانس بالا و عملکرد بالا توصیه می‌شود.

3.2 مدار تشخیص موقعیت موتور

این طراحی موقعیت‌های قطب‌های مغناطیسی روتور را دقیق تعیین می‌کند و کنترل کمونوتاسیون دقیق پیچه‌های استاتور را ممکن می‌سازد. سه سنسور اثر هال روی یک دیسک هال ثابت شده‌اند، در حالی که یک مغناطیس دائمی دایره‌ای میدان مغناطیسی موتور را برای دقت بیشتر موقعیت شبیه‌سازی می‌کند. هنگامی که مغناطیس چرخیده، خروجی‌های سنسورهای هال به طور متمایز تغییر می‌کنند که مکان‌یابی الکترونیکی دقیق روتور را ممکن می‌سازد.

3.3 مدار تشخیص سرعت

یک کدگذار دورانی نوری - شامل جفت‌های LED-فتوترانزیستور و یک دیسک شاتر با سوراخ‌ها - برای اندازه‌گیری سرعت روتور استفاده می‌شود. جفت‌های نوری به صورت دایره‌ای توزیع شده‌اند. دیسک شاتر، که بین LEDها و فتوترانزیستورها قرار دارد، شامل پنجره‌هایی است که با چرخش آن، انتقال نور را مدوله می‌کنند. سیگنال خروجی پالسی حاصل اجازه محاسبه شتاب و سرعت روتور را می‌دهد.

3.4 مدار تشخیص جریان

تشخیص بر اساس مقاومت‌های شانتل معمولی با مشکلات حرارتی و دقت ضعیف مواجه است. علاوه بر این، عدم جداسازی الکتریکی کافی بین مدارهای قدرت و کنترل خطر آسیب دادن به الکترونیک حساس با ولتاژ بالا را می‌رساند.

برای رفع این مشکل، طراحی بهبودیافته از یک سنسور جریان اثر هال با جداسازی الکتریکی استفاده می‌کند. در طی عملیات، جریان متناوب در پیچه‌های موتور تشخیص داده می‌شود و یک تقویت‌کننده جمع‌کننده خروجی سنسور را پردازش می‌کند. پس از مقیاس‌بندی تناسبی، یک سیگنال جریان ایمن و جداسازی شده به دست می‌آید.

3.5 مدار کنترل شارژ/رها کردن خازن

سیستم BLDCM با استفاده از راه‌حل‌های مبتنی بر خازن جایگزین ذخیره‌سازی انرژی معمولی می‌شود که به طور قابل توجهی کارایی را افزایش و کنترل شارژ/رها کردن را ساده می‌کند. یک پردازنده سیگنال دیجیتال به طور مداوم ولتاژ خازن را مانیتور می‌کند و فقط زمانی شارژ را متوقف می‌کند که آستانه‌های عملیاتی برآورده شوند. این طراحی در مدیریت انرژی و به دست آوردن سیگنال برجسته است و کنترل دقیق مدار را ممکن می‌سازد.

4. نتیجه‌گیری

سیستم کنترل مکانیسم با موتور برای جداکننده‌های ولتاژ بالا یک پاسخ استراتژیک به تقاضاهای روزافزون برق و تعهد به حفاظت از استانداردهای زندگی مدرن است. با حل مؤثر محدودیت‌های طولانی‌مدت جداکننده‌های معمولی، این سیستم نقش مهمی در پیشرفت قابلیت اطمینان، کارایی و هوشمندسازی زیرساخت‌های برق دارد.