Sistema di controllo a meccanismo azionato da motore per interruttori ad alta tensione
I disconnettori ad alta tensione richiedono meccanismi di azionamento con risposta rapida e coppia di uscita elevata. La maggior parte dei meccanismi attualmente a motore si basa su una serie di componenti di riduzione, tuttavia i sistemi di controllo dei meccanismi a motore soddisfano efficacemente questi requisiti.
1. Panoramica del sistema di controllo del meccanismo a motore per disconnettori ad alta tensione
1.1 Concetto di base
Il sistema di controllo del meccanismo a motore si riferisce principalmente a un sistema che utilizza una strategia di controllo PID a doppio anello per regolare la corrente degli avvolgimenti del motore e la velocità di rotazione, controllando così il movimento del meccanismo. Ciò garantisce che i contatti del disconnettore raggiungano le velocità specificate in punti di corsa designati, soddisfacendo le velocità di apertura e chiusura richieste dal disconnettore (DS).
I disconnettori (DS) sono il tipo più diffuso di apparato a commutazione ad alta tensione. Essi creano efficacemente un'apertura isolante nelle reti elettriche, svolgendo funzioni di isolamento critico e giocando un ruolo vitale nel commutare le linee e nella riconfigurazione delle busbar. La funzione principale del sistema di controllo del meccanismo a motore è quella di monitorare automaticamente la tensione e la corrente, isolare le sezioni ad alta tensione e garantire la sicurezza nelle aree ad alta tensione.
1.2 Stato della ricerca e tendenze di sviluppo
(1) Stato della ricerca
Nell'equipaggiamento ad alta tensione, i sistemi di controllo dei meccanismi a motore sono ampiamente adottati grazie alla loro struttura semplice e all'operatività rapida, offrendo facilità di controllo. I centri di ricerca e le università in tutto il mondo hanno chiaramente differenziato i meccanismi a motore da quelli a molla o idraulici, evidenziandone la semplicità strutturale, la stabilità superiore, metodi di stoccaggio del gas compresso più semplici e una complessità operativa inferiore rispetto ai sistemi convenzionali.
Operativamente, il sistema inizia il movimento attraverso la forza elettromagnetica generata dalle spire portatrici di corrente e dalle variazioni interne della corrente. La sua applicazione nell'equipaggiamento ad alta tensione sta diventando una tendenza, con gli studiosi che hanno ottenuto progressi notevoli—continuando a raffinare le tecnologie di trazione a motore e proponendo miglioramenti innovativi.
Sebbene tali sistemi siano comunemente applicati ai circuit breakers, la ricerca sulla loro utilizzazione nei disconnettori rimane limitata. Anche se i motori e i componenti di controllo fanno parte dei sistemi a motore dei disconnettori, non esiste al momento un sistema a trazione diretta che utilizzi un motore per azionare direttamente l'apertura/chiusura dei contatti—presentando significative limitazioni operative.
(2) Stato di sviluppo
A livello internazionale, i produttori di disconnettori competono principalmente migliorando le strutture meccaniche e integrando nuovi materiali e tecnologie per migliorare significativamente le prestazioni dei sistemi di controllo.
In Cina, con l'avanzamento costante dell'industria elettrica, il numero di produttori è cresciuto notevolmente e sono emerse numerose grandi aziende di sistemi di controllo di interruttori. I sistemi di disconnettori ad alta tensione nazionali stanno evolvendo verso tensioni nominali superiori, capacità maggiore, affidabilità aumentata, manutenzione ridotta, miniaturizzazione e integrazione modulare:
Tensioni e capacità superiori allineate con la crescente domanda di fornitura elettrica nazionale;
Affidabilità aumentata per migliorare la capacità di portata della corrente;
Materiali avanzati e tecniche anticorrosione per aumentare la flessibilità meccanica e ridurre le esigenze di manutenzione;
Miniaturizzazione per soddisfare le crescenti esigenze di versatilità e standardizzazione del sistema.
2. Architettura del sistema di controllo del meccanismo a motore
2.1 Sistema del meccanismo BLDCM
BLDCM sta per Brushless DC Motor. Rettifica la corrente alternata in continua e poi utilizza un inversore per convertirla nuovamente in corrente alternata controllata. Composto da un motore sincrono e un driver, il BLDCM è un prodotto elettromeccanico integrato che supera i difetti dei motori a corrente continua a spazzole sostituendo i commutatori meccanici con quelli elettronici.
Combina un'eccellente regolazione della velocità con la robustezza dei motori a corrente alternata, presentando commutazione senza scintille, alta affidabilità e facile manutenzione. Nei meccanismi di operazione in stand-by per disconnettori ad alta tensione, i BLDCM sono tipicamente dotati di interruttori di fine corsa e guidano direttamente il DS tramite un braccio oscillante per eseguire operazioni di apertura/chiusura—risolvendo efficacemente problemi tradizionali come eccessivi collegamenti e complessità strutturale.
2.2 Sistema del meccanismo DS
"DS" denota il disconnettore ad alta tensione, che fornisce un'isolazione elettrica critica. Con una struttura semplice e alta affidabilità, le unità DS sono ampiamente utilizzate e svolgono un ruolo fondamentale nella progettazione, costruzione e operatività di sottostazioni e centrali elettriche.
Nei sistemi di controllo a motore, il meccanismo DS utilizza tipicamente un Processore di Segnale Digitale (DSP) come controller centrale per gestire le funzioni generali del sistema. Il sistema include anche:
Controllo di guida di isolamento di apertura/chiusura;
Rilevamento della posizione del motore;
Rilevamento della velocità.
Per il rilevamento della posizione, il circuito di rilevamento della posizione fornisce segnali di commutazione accurati al circuito di commutazione logica. La velocità viene misurata utilizzando un encoder che rileva la velocità del rotore, con segnali di uscita LED che riflettono la velocità di rotazione.
La rilevazione della corrente tradizionale si basa su resistenze shunt, che soffrono di deriva dovuta alla temperatura, compromettendo l'accuratezza della misurazione. Inoltre, l'isolamento elettrico insufficiente tra i circuiti esterni e di controllo può amplificare i picchi di tensione, minacciando la sicurezza del sistema.
Nel progetto del circuito di controllo di carica/scarica, il sistema BLDCM sostituisce l'accumulo di energia convenzionale con condensatori. La banca di condensatori viene caricata e poi isolata dalla sorgente di alimentazione esterna, migliorando la sicurezza ed l'efficienza.
3. Miglioramenti del Design per il Sistema di Controllo del Meccanismo Azionato da Motore
3.1 Circuito di Controllo dell'Isolamento Apertura/Chiusura del Drive
Questo circuito controlla le correnti degli avvolgimenti trifase gestendo i dispositivi di commutazione di potenza e implementando strategie efficaci per la traiettoria dei commutatori. Riduce l'sovratensione transitoria e le perdite di commutazione, garantendo un funzionamento sicuro e stabile dei componenti.
Quando l'interruttore è spento, un condensatore assorbe la corrente di spegnimento attraverso un diodo durante la carica. Quando è acceso, si verifica lo scarico attraverso un resistore. Devono essere utilizzati diodi a recupero rapido con correnti nominali superiori a quelle del circuito principale. Per minimizzare l'induttanza parassita, si consigliano condensatori snubber ad alta frequenza e ad alte prestazioni.
3.2 Circuito di Rilevamento della Posizione del Motore
Questo design determina con precisione la posizione delle poli magnetiche del rotore, consentendo un controllo di commutazione preciso degli avvolgimenti dello statore. Tre sensori Hall sono fissati su un disco Hall, mentre un magnete permanente circolare simula il campo magnetico del motore per una maggiore accuratezza posizionale. Mentre il magnete ruota, gli output dei sensori Hall variano distintamente, permettendo una posizionamento elettronico preciso del rotore.
3.3 Circuito di Rilevamento della Velocità
Un codificatore rotativo ottico - composto da fotocoppie a LED infrarosso-fototransistor e un disco di chiusura a fessure - viene utilizzato per misurare la velocità del rotore. Le fotocoppie sono distribuite uniformemente in un pattern circolare. Il disco di chiusura, posizionato tra i LED e i fototransistor, contiene finestre che modulano la trasmissione della luce mentre ruota. Il segnale di uscita pulsante risultante consente il calcolo dell'accelerazione e della velocità del rotore.
3.4 Circuito di Rilevamento della Corrente
Il rilevamento basato su resistori shunt tradizionali soffre di deriva termica e scarsa accuratezza. Inoltre, un'inadeguata isolazione elettrica tra i circuiti di potenza e di controllo rischia di danneggiare l'elettronica sensibile con transitori ad alta tensione.
Per affrontare questo problema, il design migliorato utilizza un sensore di corrente Hall a isolamento elettrico. Durante l'operazione, la corrente alternata negli avvolgimenti del motore viene rilevata, e un amplificatore sommatore elabora l'uscita del sensore. Dopo un ridimensionamento proporzionale, si ottiene un segnale di corrente sicuro e isolato.
3.5 Circuito di Controllo della Carica/Scarica del Condensatore
Il sistema BLDCM sostituisce l'accumulo di energia convenzionale con soluzioni basate su condensatori, migliorando significativamente l'efficienza e semplificando il controllo di carica/scarica. Un processore di segnali digitali monitora continuamente la tensione del condensatore e interrompe la carica solo quando vengono raggiunte le soglie operative. Questo design eccelle nella gestione dell'energia e nell'acquisizione dei segnali, consentendo un controllo preciso del circuito.
4. Conclusione
Il sistema di controllo del meccanismo azionato da motore per disgiuntori ad alta tensione rappresenta una risposta strategica alla crescente domanda di energia e all'impegno per la tutela degli standard di vita moderni. Risolvendo efficacemente le limitazioni storiche dei disgiuntori tradizionali, questo sistema svolge un ruolo cruciale nell'avanzamento della affidabilità, efficienza e intelligenza dell'infrastruttura elettrica.
