高圧遮断器用モータ駆動機構制御システム

高圧遮断器は、高速応答と高い出力トルクを持つ操作機構を必要とする。現在のほとんどのモータ駆動機構は複数の減速コンポーネントに依存しているが、モータ駆動機構制御システムはこれらの要件を効果的に満たしている。

1. 高圧遮断器用モータ駆動機構制御システムの概要

1.1 基本概念

モータ駆動機構制御システムは主に、モータ巻線電流と回転速度をデュアルループPID制御戦略を使用して制御することで、機構の動作を制御するシステムを指す。これにより、遮断器の接点が指定された移動点で指定された速度に達し、遮断器（DS）の開閉速度要件を満たすことが保証される。

遮断器（DS）は最も広く使用されている高圧スイッチギアのタイプであり、電力ネットワークにおいて絶縁ギャップを確立し、重要な隔離機能を果たし、ライン切り替えやバスバー再構成において重要な役割を果たす。モータ駆動機構制御システムの主な機能は、電圧と電流を自動的に監視し、高圧部を隔離し、高圧領域での安全性を確保することである。

1.2 研究状況と発展トレンド

(1) 研究状況
高圧設備において、モータ駆動機構制御システムはその単純な構造と高速な操作性から広く採用されている。世界中の研究機関や大学では、モータ駆動機構をバネまたは油圧機構と明確に区別し、その構造の単純さ、優れた安定性、より単純な圧縮ガス貯蔵方法、および従来のシステムと比較して低い操作複雑性を強調している。

操作的には、システムは電流を流すコイルによって生成される電磁力と内部の電流変化によって動きを開始する。高圧設備におけるその応用はトレンドとなっており、学者たちはモータ駆動技術を継続的に改善し、革新的な改良を提案している。

このようなシステムは一般的に遮断器に適用されているが、遮断器への応用に関する研究はまだ限られている。モータと制御コンポーネントは遮断器モータ駆動システムの一部を形成しているが、モータを使用して直接接触の開閉を行う直接駆動システムは現在存在せず、これは重要な操作制約をもたらしている。

(2) 発展状況
国際的には、遮断器メーカーは主に機械構造の改善と新素材・新技術の導入を通じて制御システムの性能を大幅に向上させている。

中国では、電力産業の着実な進展とともに、製造業者の数が大幅に増加し、多数の大規模スイッチ制御システム企業が出現している。国内の高圧遮断器システムは、より高い電圧等級、大容量、信頼性の向上、メンテナンスの削減、小型化、およびモジュール統合へと進化している：

• より高い電圧と容量は国の電力供給需要の増加に対応している；

• 信頼性の向上は通電能力の向上につながる；

• 先進的な材料と防食技術は機械的柔軟性を増し、メンテナンスの必要性を減少させる；

• 小型化はシステムの多様性と標準化に対する要求を満たす。

2. モータ駆動機構制御システムのシステムアーキテクチャ

2.1 BLDCM機構システム

BLDCMとはブラシレスDCモータのことである。交流電力を直流に整流し、インバータを使って制御可能な交流に変換する。同期モータとドライバから構成され、ブラシ付きDCモータの欠点を電子式のものに置き換えることで克服した電気機械一体化製品である。

優れた速度制御と交流モータの堅牢性を組み合わせ、火花のない換流、高い信頼性、簡単なメンテナンスを特長としている。高圧遮断器の待機動作機構では、BLDCMは通常、リミットスイッチを装備し、クランクアームを介してDSを直接駆動して開閉動作を行い、伝統的な問題である過剰なリンク機構と構造の複雑さを効果的に解決する。

2.2 DS機構システム

"DS"は高圧遮断器を示し、重要な電気的絶縁を提供する。単純な構造と高い信頼性を持つDSユニットは広く使用されており、変電所や発電所の設計、建設、運転において重要な役割を果たしている。

モータ駆動制御システムでは、DS機構は通常、デジタル信号プロセッサ（DSP）をコアコントローラとして使用して全体のシステム機能を管理する。システムには以下が含まれる：

• 開閉絶縁駆動制御；

• モータ位置検出；

• 速度検出。

位置検出については、位置センシング回路は論理スイッチ回路に正確な換流信号を提供する。速度はエンコーダーを使用して測定され、ロータ速度を検出し、LED出力信号が回転速度を反映する。

伝統的な電流検出はシャント抵抗に依存しており、温度によるドリフトにより測定精度が損なわれる可能性がある。また、外部回路と制御回路間の電気的絶縁が不十分な場合、電圧スパイクが増幅され、システムの安全性が脅かされる可能性がある。

充放電制御回路設計において、BLDCMシステムは従来のエネルギー貯蔵装置をコンデンサに置き換えています。コンデンサバンクは外部電源から隔離された状態で充電され、安全性と効率が向上します。

3. 電動機構制御システムの設計改善

3.1 開閉絶縁駆動制御回路

この回路は、パワースイッチングデバイスを管理し、スイッチ軌道の有効な戦略を実装することで三相巻線電流を制御します。これにより、過渡的な過電圧やスイッチング損失が軽減され、安全かつ安定した部品動作が確保されます。

スイッチがオフの場合、充電中にダイオードを通じてコンデンサがオフカレントを吸収します。オンの場合には抵抗器を通じて放電が行われます。主回路の定格を超える定格電流を持つ高速回復ダイオードを使用する必要があります。寄生インダクタンスを最小限に抑えるためには、高周波、高性能のスナバーコンデンサが推奨されます。

3.2 モータ位置検出回路

この設計はロータ磁極位置を正確に決定し、スタータ巻線の精密なコマメーション制御を可能にします。ホールディスク上に固定された3つのホール効果センサーと円形の永久磁石がモータの磁場をシミュレートして位置精度を向上させます。磁石が回転するとホールセンサーの出力が明確に変化し、電子的なロータ位置を正確に特定することができます。

3.3 速度検出回路

ロータの速度を測定するために、赤外LED-フォトトランジスタ光結合器と開口部付きシャッターディスクからなる光学式回転エンコーダーが使用されます。光結合器は円形パターンで均等に配置されています。LEDとフォトトランジスタの間に位置するシャッターディスクには、回転時に光透過を調整する窓があります。結果として得られるパルス出力信号により、ロータの加速度と速度を計算することができます。

3.4 電流検出回路

従来のシャント抵抗ベースの検出は熱ドリフトと精度の低さという問題があり、さらに電力回路と制御回路間の不十分な電気的絶縁により、高電圧の一時的な上昇が敏感な電子機器を損傷するリスクがあります。

これを解決するため、改良された設計では電気的に絶縁されたホール効果電流センサーを使用しています。動作中、モータ巻線の交流を検出し、センサー出力を合算増幅器で処理します。比例スケーリング後、安全で絶縁された電流信号が得られます。

3.5 コンデンサ充放電制御回路

BLDCMシステムは従来のエネルギー貯蔵装置をコンデンサベースのソリューションに置き換えており、効率と充放電制御の簡素化が大幅に向上します。デジタル信号プロセッサはコンデンサ電圧を継続的に監視し、動作しきい値を満たすまで充電を終了します。この設計はエネルギーマネージメントと信号取得に優れ、精密な回路制御を可能にします。

4. 結論

高電圧分離装置用の電動機構制御システムは、電力需要の増加への戦略的な対応であり、現代の生活水準を守るためのコミットメントです。従来の分離装置の長年の制約を効果的に解決することで、このシステムは電力インフラの信頼性、効率性、および知能化の進展に重要な役割を果たします。