고압 분리기용 모터 구동 메커니즘 제어 시스템

고압 차단기는 빠른 응답과 높은 출력 토크를 요구하는 작동 메커니즘이 필요합니다. 현재 대부분의 모터 구동 메커니즘은 감속 부품 시리즈에 의존하지만, 모터 구동 메커니즘 제어 시스템은 이러한 요구 사항을 효과적으로 충족합니다.

1. 고압 차단기용 모터 구동 메커니즘 제어 시스템 개요

1.1 기본 개념

모터 구동 메커니즘 제어 시스템은 주로 듀얼 루프 PID 제어 전략을 사용하여 모터 권선 전류와 회전 속도를 조절하여 메커니즘의 움직임을 제어하는 시스템을 말합니다. 이를 통해 차단기 접점이 지정된 이동 지점에서 지정된 속도에 도달하도록 하여 차단기(DS)의 요구되는 개폐 속도를 만족시킵니다.

차단기(DS)는 가장 널리 사용되는 고압 스위치 기기 유형입니다. 전력망에서 절연 간격을 효과적으로 설정하여 중요한 격리 기능을 수행하고, 선로 전환 및 버스바 재구성을 위한 핵심 역할을 합니다. 모터 구동 메커니즘 제어 시스템의 주요 기능은 전압과 전류를 자동으로 모니터링하여 고압 부분을 격리하고, 고압 지역의 안전을 보장하는 것입니다.

1.2 연구 현황 및 발전 동향

(1) 연구 현황
고압 장비에서는 구조가 간단하고 빠른 작동이 가능한 모터 구동 메커니즘 제어 시스템이 널리 채택되고 있습니다. 전 세계의 연구 기관과 대학들은 모터 구동 메커니즘을 스프링이나 유압 메커니즘과 명확히 구분하여, 그 구조의 단순성, 우수한 안정성, 더 간단한 압축 가스 저장 방법, 그리고 기존 시스템보다 낮은 운영 복잡성을 강조하였습니다.

작동 원리는 전류를 통한 코일의 전자기력과 내부 전류 변화를 통해 움직임을 시작합니다. 고압 장비에서의 적용이 하나의 트렌드가 되고 있으며, 학자들은 모터 구동 기술을 계속해서 개선하고 혁신적인 개선안을 제안하고 있습니다.

이러한 시스템은 주로 회로 차단기에 적용되지만, 차단기에 대한 연구는 아직 제한적입니다. 모터와 제어 구성 요소는 차단기 모터 구동 시스템의 일부를 형성하지만, 모터를 직접 사용하여 접점의 개폐를 수행하는 직접 구동 시스템은 아직 존재하지 않아, 상당한 운영 제한이 있습니다.

(2) 발전 현황
국제적으로, 차단기 제조사들은 기계 구조를 개선하고 새로운 소재와 기술을 통합하여 제어 시스템 성능을 크게 향상시키는 경쟁을 벌이고 있습니다.

중국에서는 전력 산업의 안정적인 발전과 함께 제조사 수가 크게 증가하였으며, 많은 대규모 스위치 제어 시스템 회사들이 등장했습니다. 국내 고압 차단기 시스템은 더 높은 전압 등급, 더 큰 용량, 향상된 신뢰성, 유지 관리 감소, 미니어처화, 그리고 모듈화 통합 방향으로 진화하고 있습니다:

• 더 높은 전압과 용량은 국가 전력 공급 요구사항에 부합합니다;

• 신뢰성 향상은 전류 운반 능력을 개선합니다;

• 첨단 소재와 방식 기술은 기계적 유연성을 증가시키고 유지 관리 요구사항을 줄입니다;

• 미니어처화는 시스템의 다목적성과 표준화 요구사항을 충족합니다.

2. 모터 구동 메커니즘 제어 시스템의 시스템 아키텍처

2.1 BLDCM 메커니즘 시스템

BLDCM은 브러시리스 DC 모터를 의미합니다. 이는 교류 전력을 직류로 정류한 후 인버터를 사용하여 다시 제어 가능한 교류로 변환합니다. 동기 모터와 드라이버로 구성된 BLDCM은 브러시가 있는 DC 모터의 단점을 극복하기 위해 기계적 커뮤테이터를 전자적 커뮤테이터로 대체한 전기 기계 통합 제품입니다.

이는 뛰어난 속도 조절 능력과 AC 모터의 견고함을 결합하며, 불꽃 없는 커뮤테이션, 높은 신뢰성, 그리고 쉬운 유지 관리를 특징으로 합니다. 고압 차단기의 대기 작동 메커니즘에서 BLDCM은 일반적으로 리미트 스위치를 장착하고 크랭크암을 통해 DS를 직접 구동하여 개폐 작업을 수행하여, 전통적인 문제인 과도한 연결 및 구조적 복잡성을 효과적으로 해결합니다.

2.2 DS 메커니즘 시스템

"DS"는 중요한 전기적 격리를 제공하는 고압 차단기를 의미합니다. 간단한 구조와 높은 신뢰성으로, DS 장치는 광범위하게 사용되며 변전소와 발전소의 설계, 건설, 운영에서 핵심적인 역할을 합니다.

모터 구동 제어 시스템에서 DS 메커니즘은 일반적으로 디지털 신호 프로세서(DSP)를 핵심 제어 장치로 사용하여 전체 시스템 기능을 관리합니다. 시스템에는 다음과 같은 구성 요소가 포함됩니다:

• 개폐 격리 구동 제어;

• 모터 위치 감지;

• 속도 감지.

위치 감지의 경우, 위치 센싱 회로는 논리 스위치 회로에 정확한 커뮤테이션 신호를 제공합니다. 속도는 로터 속도를 감지하는 엔코더를 사용하여 측정되며, LED 출력 신호는 회전 속도를 반영합니다.

전통적인 전류 감지는 샌딩 저항에 의존하는데, 이는 온도에 따른 드리프트로 인해 측정 정확도가 저하될 수 있습니다. 또한 외부 회로와 제어 회로 사이의 부족한 전기적 절연은 전압 서지가 증폭되어 시스템 안전을 위협할 수 있습니다.

충전/방전 제어 회로 설계에서 BLDCM 시스템은 전통적인 에너지 저장 장치를 커패시터로 대체합니다. 커패시터 뱅크는 충전되고 외부 전원으로부터 분리되어 안전성과 효율성을 향상시킵니다.

3. 모터 작동 메커니즘 제어 시스템의 설계 개선

3.1 오픈/클로즈 격리 드라이브 제어 회로

이 회로는 전력 스위칭 장치를 관리하고 스위치 궤적에 효과적인 전략을 구현하여 3상 권선 전류를 제어합니다. 이는 일시적인 과전압과 스위칭 손실을 줄여 구성 요소의 안전하고 안정적인 작동을 보장합니다.

스위치가 꺼져 있을 때, 커패시터는 충전 중에 다이오드를 통해 차단 전류를 흡수합니다. 켜져 있을 때는 저항을 통해 방전됩니다. 주 회로의 등급을 초과하는 정격 전류를 가진 고속 회복 다이오드를 사용해야 합니다. 부가적인 인덕턴스를 최소화하기 위해 고주파, 고성능 스너버 커패시터를 권장합니다.

3.2 모터 위치 감지 회로

이 설계는 로터 자기 극 위치를 정확하게 결정하여 스테이터 권선의 정밀한 교환 제어를 가능하게 합니다. 세 개의 홀 효과 센서가 홀 디스크에 고정되며, 원형 영구 자석이 모터의 자기장을 시뮬레이션하여 위치 정확성을 향상시킵니다. 자석이 회전함에 따라 홀 센서 출력이 명확하게 변하여 정밀한 전자식 로터 위치를 가능하게 합니다.

3.3 속도 감지 회로

광학 회전 인코더—적외선 LED-포토트랜지스터 광커플러와 슬롯이 있는 셔터 디스크로 구성—는 로터 속도를 측정하는 데 사용됩니다. 광커플러는 원형 패턴으로 고르게 배치됩니다. 셔터 디스크는 LED와 포토트랜지스터 사이에 위치하며, 회전할 때마다 빛의 전송을 조절하는 창문을 포함하고 있습니다. 결과적으로 생성된 펄스 출력 신호를 통해 로터 가속도와 속도를 계산할 수 있습니다.

3.4 전류 감지 회로

전통적인 분배 저항 기반 감지는 열 유동과 낮은 정확도로 인해 문제가 발생합니다. 또한, 전력 회로와 제어 회로 간의 부족한 전기적 절연은 고전압 순간 전압이 민감한 전자 장치를 손상시키는 위험을 초래합니다.

이를 해결하기 위해 개선된 설계는 전기적으로 절연된 홀 효과 전류 센서를 사용합니다. 작동 중에 모터 권선의 교류를 감지하고, 합산 증폭기가 센서 출력을 처리합니다. 비례 스케일링 후, 안전하고 절연된 전류 신호를 얻습니다.

3.5 커패시터 충전/방전 제어 회로

BLDCM 시스템은 전통적인 에너지 저장 장치를 커패시터 기반 솔루션으로 대체하여 효율성을 크게 향상시키고 충전/방전 제어를 단순화합니다. 디지털 신호 프로세서는 지속적으로 커패시터 전압을 모니터링하고, 운영 임계값을 만족할 때까지 충전을 종료합니다. 이 설계는 에너지 관리와 신호 획득에서 우수한 성능을 발휘하여 정밀한 회로 제어를 가능하게 합니다.

4. 결론

고전압 분리기에 대한 모터 작동 메커니즘 제어 시스템은 증가하는 전력 수요에 대한 전략적 대응이며 현대 생활 수준을 보호하기 위한 약속입니다. 전통적인 분리기의 오랜 한계를 효과적으로 해결함으로써, 이 시스템은 전력 인프라의 신뢰성, 효율성 및 지능화를 진전시키는 핵심 역할을 합니다.