Motor-Operált Mechanizmusirányító Rendszer Magasfeszültségű Kikapcsolókhoz

A magasfeszültségű szakaszolók olyan működtető mechanizmusokat igényelnek, amelyek gyors válaszidejűek és nagy kimeneti nyomatékkal rendelkeznek. A jelenlegi motoros hajtású mechanizmusok többsége soros redukciós alkatrészekre támaszkodik, azonban a motoros működtetésű mechanizmus irányítási rendszerei hatékonyan képesek teljesíteni ezeket az igényeket.

1. A magasfeszültségű szakaszolók motoros működtetésű mechanizmusának irányítási rendszerének áttekintése

1.1 Alapfogalmak

A motoros működtetésű mechanizmus irányítási rendszere elsősorban olyan rendszert jelent, amely kéthurkos PID-vezérlési stratégiát alkalmaz a motor tekercseinek áramának és forgási sebességének szabályozására, így szabályozva a mechanizmus mozgását. Ez biztosítja, hogy a szakaszoló érintkezői meghatározott sebességet érjenek el előírt úthelyeken, kielégítve a szakaszoló (DS) megnyitási és zárási sebességre vonatkozó követelményeket.

A szakaszolók (DS) a leggyakrabban használt típusai a magasfeszültségű kapcsolóberendezéseknek. Hatékonyan létesítenek szigetelési rést az energiahálózatokban, betöltve a kritikus szigetelési funkciót, és fontos szerepet játszanak a vonali kapcsolásban és az elosztószekrény-átalakításban. A motoros működtetésű mechanizmus irányítási rendszerének elsődleges feladata az automatikus feszültség- és áramfelügyelet, a magasfeszültségű szakaszok leválasztása, valamint a magasfeszültségű területek biztonságának biztosítása.

1.2 Kutatási állapot és fejlődési tendenciák

(1) Kutatási állapot
Magasfeszültségű berendezésekben a motoros működtetésű mechanizmus irányítási rendszere egyszerű szerkezete és gyors működése miatt széles körben elterjedt, könnyen szabályozható. A kutatóintézetek és egyetemek világszerte egyértelműen elkülönítik a motoros működtetésű mechanizmusokat a rugós vagy hidraulikus mechanizmusoktól, kiemelve az előbbiek szerkezeti egyszerűségét, kiváló stabilitását, egyszerűbb sűrített gáz-tárolási módszereit, valamint alacsonyabb működési bonyolultságát a hagyományos rendszerekhez képest.

Működés közben a rendszer a vezető tekercsekben keletkező elektromágneses erővel és a belső áramváltozással indítja el a mozgást. Alkalmazása a magasfeszültségű berendezésekben egyre inkább trenddé válik, kutatók jelentős eredményeket értek el – folyamatosan finomítva a motorhajtási technológiákat, és innovatív fejlesztéseket javasolva.

Bár ilyen rendszerek gyakran alkalmaznak megszakítókon, a szakaszolókban történő alkalmazásukkal kapcsolatos kutatások még korlátozottak. Habár motorok és vezérlőalkatrészek részét képezik a szakaszolók motoros működtetésű rendszereinek, jelenleg nem létezik közvetlen hajtású rendszer, amely motorral közvetlenül mozgatná az érintkezők nyitását/zárását – ami jelentős működési korlátozásokat jelent.

(2) Fejlesztési állapot
Nemzetközileg a szakaszológyártók elsősorban a mechanikai szerkezetek fejlesztésével és új anyagok, technológiák integrálásával versengenek, jelentősen növelve az irányítási rendszerek teljesítményét.

Kínában a villamosenergia-ipar folyamatos fejlődésével jelentősen megnőtt a gyártók száma, és számos nagy méretű kapcsolóirányítási rendszerrel foglalkozó vállalat alakult. A hazai magasfeszültségű szakaszoló rendszerek egyre magasabb feszültségszintre, nagyobb kapacitásra, növekedett megbízhatóságra, csökkent karbantartási igényre, miniatürizálódásra és moduláris integrációra törekszenek:

• Magasabb feszültség és kapacitás egyezik az ország növekvő villamosenergia-szükségletével;

• Növekedett megbízhatóság javítja az átvitelre alkalmas áramerősséget;

• Fejlett anyagok és korrózióálló technikák növelik a mechanikai rugalmasságot és csökkentik a karbantartási igényt;

• Miniatürizálás kielégíti a növekvő igényt a rendszerek sokoldalúságára és szabványosítására.

2. A motoros működtetésű mechanizmus irányítási rendszerének architektúrája

2.1 BLDCM mechanizmusrendszer

A BLDCM a „Brushless DC Motor” (kefémentes egyenáramú motor) rövidítése. Az egyenáramot egyenirányítja, majd inverter segítségével szabályozott váltakozó árammá alakítja vissza. Szinkronmotort és meghajtót tartalmaz, az elektromechanikai integrált termék a kefés egyenáramú motorok hátrányait küszöböli ki, elektronikus kommutátorokat használva a mechanikusak helyett.

Kiváló fordulatszám-szabályozási tulajdonságokkal rendelkezik, ötvözve az AC motorok robosztusságát, szikramentes kommutációval, magas megbízhatósággal és könnyű karbantarthatósággal. A magasfeszültségű szakaszolók tartalék működtető mechanizmusában a BLDCM-eket általában határolókapcsolókkal szerelik fel, és közvetlenül hajtják a DS-t egy forgattyús kart használva a nyitási/zárási műveletek elvégzéséhez – hatékonyan megoldva a hagyományos problémákat, mint a túlzott kapcsolókarok és a szerkezeti bonyolultság.

2.2 DS mechanizmusrendszer

A „DS” a magasfeszültségű szakaszolót jelenti, amely kritikus elektromos szigetelést biztosít. Egyszerű szerkezete és magas megbízhatósága miatt a DS egységek széles körben használatosak, és döntő szerepet játszanak a transzformátorállomások és erőművek tervezésében, építésében és üzemeltetésében.

A motoros működtetésű irányítási rendszerekben a DS mechanizmus általában Digitális Jelfeldolgozó (DSP) chipeket használ központi vezérlőként a teljes rendszerfunkciók kezelésére. A rendszer továbbá tartalmazza:

• Nyitási/zárási szigetelő meghajtás-vezérlést;

• Motorpozíció-érzékelést;

• Fordulatszám-érzékelést.

A pozícióérzékeléshez a pozícióérzékelő áramkör pontos kommutációs jeleket biztosít a logikai kapcsoló áramkörnek. A fordulatszámot enkóder méri, amely detektálja a rotor sebességét, az LED kimeneti jelek pedig a forgási sebességet tükrözik.

A hagyományos áramérzékelés shunt ellenállásokra támaszkodik, amelyek hőmérsékletfüggő drifttel küzdenek, csökkentve a mérés pontosságát. Emellett az extern és vezérlőkörök közötti elégtelen elektromos szigetelés felerősítheti a feszültséglökéseket, veszélyeztetve a rendszer biztonságát.

A töltés/eltoltás-ellenőrző áramkör tervezése során a BLDCM rendszer konvencionális energiatároló eszközök helyett kondenzátort használ. A kondenzátorbankot feltöltik, majd elkülönítik a külső energiaforrásból, ezzel növelve a biztonságot és hatékonyságot.

3. Fejlesztések a motor-operált mechanizmus vezérlő rendszerében

3.1 Nyitó/záró izoláló meghajtó ellenőrző áramkör

Ez az áramkör a háromfázisú tekercs-áramokat kezeli, irányítva a teljesítmény-váltó eszközöket, és hatékony stratégiákat alkalmaz a kapcsoló trajectória számára. Ennek eredményeként csökkenthető a tranzitorszív feszültség és a kapcsolási veszteségek, garantálva a komponensek biztonságos és stabil működését.

Amikor a kapcsoló ki van kapcsolva, egy kondenzátor veszi fel a kikapcsolási áramot egy diódon keresztül a töltés során. Amikor be van kapcsolva, a töltést egy ellenállásban oldja fel. A fő áramkör értékénél magasabb rátázott árammal rendelkező gyors-helyreálló diódák használata szükséges. A paraszita induktivitás minimalizálása érdekében ajánlott a nagy frekvenciájú, nagy teljesítményű snubber kondenzátorok használata.

3.2 Motor pozíció-érzékelő áramkör

Ez a tervezés pontosan meghatározza a rotor mágneses pólusainak pozícióját, lehetővé téve a stator tekercsek pontos kommutációs ellenőrzését. Három Hall-effektus érzékelőt rögzítenek egy Hall-lemezre, miközben egy kör alakú állandómágnes szimulálja a motor mágneses mezőjét, hogy javítsa a pozíciós pontosságot. Ahogy a mágnes forog, a Hall-érzékelők kimenetei jellegzetesen változnak, lehetővé téve a precíz elektronikus rotor pozicionálást.

3.3 Sebesség-érzékelő áramkör

A rotor sebességének mérésére infravörös LED-fénytiszta optokuplerből és egy lyukakkal ellátott elzáró lemezről álló optikai forgásszámláló kerül felhasználásra. Az optokuplerek egyenletesen vannak elosztva kör alakban. Az elzáró lemez, amely az LED-ek és a fénytiszta között helyezkedik el, tartalmaz ablakokat, amelyek a fényátadást modulálják a forgás során. A kapott impulzusos kimeneti jel lehetővé teszi a rotor gyorsulásának és sebességének kiszámítását.

3.4 Áramerzékelő áramkör

A hagyományos párhuzamos ellenállás-alapú érzékelés hődriftet mutat és rossz pontossággal bír. Továbbá, a teljesítmény- és vezérlő áramkörök közötti elégtelen elektromos izoláció magas feszültségű transzientek miatt károsíthatja a szénszerű elektronikát.

Ehhez a problémához reagálva a fejlesztett tervezés elektromosan izolált Hall-effektus alapú áramerzékelőt alkalmaz. A működés során a motor tekercseiben lévő váltakozó áramot érzékelik, és az erzékelő kimenetét egy összeadó erősítő feldolgozza. Proportionalis skálázás után biztonságos, izolált áramjel kapható.

3.5 Kondenzátor töltés/eltoltás ellenőrző áramkör

A BLDCM rendszer konvencionális energiatároló eszközök helyett kondenzátor-alapú megoldásokat használ, jelentősen javítva a hatékonyságot és egyszerűsítve a töltés/eltoltás ellenőrzést. Egy digitális jel feldolgozó folyamatosan figyeli a kondenzátor feszültségét, és csak akkor térít fel a töltést, ha a működési küszöbértékek teljesülnek. Ez a tervezés kimagaslóan jól sikerül az energia-kezelésben és a jel adatgyűjtésben, lehetővé téve a pontos áramkör-ellenőrzést.

4. Következtetés

A nagy feszültségű szektorok motor-operált mechanizmus-vezérlő rendszere stratégiai választ képvisel a növekvő energiaigényekre, és elkötelezett a modern életminőség megőrzése mellett. A hagyományos szektorok hosszú ideje tartó korlátainak hatékony megoldásával ez a rendszer kulcsszerepet játszik a villamosenergia-infrastruktúra megbízhatóságának, hatékonyságának és intelligenciájának előrehaladásában.