System sterowania napędzanymi mechanicznie przełącznikami wysokiego napięcia
Wysokie napięcie rozłączników wymaga mechanizmów napędowych o szybkiej reakcji i wysokim momencie obrotowym. Większość obecnych mechanizmów napędzanych silnikami polega na szeregu elementów redukcyjnych, jednak systemy sterowania mechanizmami napędzanymi silnikiem skutecznie spełniają te wymagania.
1. Przegląd systemu sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem dla wysokonapięciowych rozłączników
1.1 Podstawowe pojęcia
System sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem odnosi się głównie do systemu, który wykorzystuje strategię dwupętlowego sterowania PID do regulacji prądu w cewkach silnika i prędkości obrotowej, co pozwala kontrolować ruch mechanizmu. Zapewnia to, że kontakty rozłącznika osiągają określone prędkości w określonych punktach przejazdu, zaspokajając wymagane prędkości otwierania i zamykania rozłącznika (DS).
Rozłączniki (DS) to najbardziej szeroko stosowane typy wysokonapięciowego sprzętu elektrycznego. Skutecznie tworzą luki izolacyjne w sieciach energetycznych, pełniąc kluczowe funkcje izolacyjne i odgrywając ważną rolę w przełączaniu linii i rekonfiguracji słupków. Głównym zadaniem systemu sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem jest automatyczny monitorowanie napięcia i prądu, izolacja części wysokonapięciowych i zapewnienie bezpieczeństwa w obszarach wysokonapięciowych.
1.2 Stan badań i trendy rozwojowe
(1) Stan badań
W urządzeniach wysokonapięciowych systemy sterowania mechanizmami napędzanymi silnikiem są szeroko stosowane ze względu na prostotę konstrukcji i szybkość działania, oferując łatwą kontrolę. Instytucje badawcze i uniwersytety na całym świecie wyraźnie odróżniają mechanizmy napędzane silnikami od mechanizmów sprężynowych lub hydraulicznych, podkreślając ich prostotę konstrukcyjną, lepszą stabilność, prostsze metody przechowywania gazów sprężonych i mniejszą złożoność eksploatacyjną w porównaniu do tradycyjnych systemów.
Funkcjonalnie, system rozpoczyna ruch poprzez siłę elektromagnetyczną generowaną przez cewki przewodzące prąd i wewnętrzne zmiany prądu. Jego zastosowanie w urządzeniach wysokonapięciowych staje się trendem, a naukowcy osiągają znaczące postępy - ciągle udoskonalają technologie napędowe silników i proponują innowacyjne ulepszenia.
Chociaż takie systemy są powszechnie stosowane w przekaźnikach, badania dotyczące ich zastosowania w rozłącznikach pozostają ograniczone. Chociaż silniki i komponenty sterujące stanowią część systemów napędzanych silnikami rozłączników, nie istnieje obecnie bezpośredni system napędowy, który używa silnika do bezpośredniego czynienia kontaktów - co powoduje istotne ograniczenia operacyjne.
(2) Stan rozwoju
Na arenie międzynarodowej producenci rozłączników konkurują głównie poprzez udoskonalanie struktur mechanicznych i integrację nowych materiałów i technologii, aby znacznie zwiększyć wydajność systemów sterujących.
W Chinach, z powolnym postępem branży energetycznej, liczba producentów znacznie wzrosła, a pojawiło się wiele dużych firm specjalizujących się w systemach sterowania przełącznikami. Krajowe systemy wysokonapięciowych rozłączników rozwijają się w kierunku wyższych napięć, większej pojemności, zwiększonej niezawodności, mniejszej konieczności konserwacji, miniaturyzacji i modułowej integracji:
Wyższe napięcia i pojemność zgodne z rosnącymi narodowymi potrzebami dostawy energii;
Zwiększona niezawodność poprawia zdolność nośną prądu;
Nowoczesne materiały i techniki antykorozyjne zmniejszają potrzeby konserwacji;
Miniaturyzacja spełnia rosnące wymagania dotyczące wszechstronności i standaryzacji systemu.
2. Architektura systemu sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem
2.1 System BLDCM
BLDCM oznacza bezszczotkowy silnik prądu stałego. Prostuje on prąd przemienny na stały, a następnie używa inwertera, aby przekształcić go ponownie w kontrolowany prąd przemienny. Składający się z synchronicznego silnika i sterownika, BLDCM to zintegrowany produkt elektromechaniczny, który pokonuje wady silników prądu stałego z szczotkami, zastępując mechaniczne komutatory elektronicznymi.
Łączy doskonałą regulację prędkości z odpornością silników prądu przemiennego, charakteryzuje się beziskrową komutacją, wysoką niezawodnością i łatwą konserwacją. W mechanizmach rezerwowych dla wysokonapięciowych rozłączników, BLDCM są zwykle wyposażone w przełączniki końcowe i bezpośrednio napędzają DS za pomocą ramienia dźwigni, wykonując operacje otwierania/zamykania - skutecznie rozwiązując tradycyjne problemy związane z nadmierną liczbą połączeń i złożonością strukturalną.
2.2 System DS
"DS" oznacza wysokonapięciowy rozłącznik, który zapewnia kluczową izolację elektryczną. Z prostą strukturą i wysoką niezawodnością, jednostki DS są szeroko stosowane i odgrywają kluczową rolę w projektowaniu, budowie i eksploatacji stacji transformatorowych i elektrowni.
W systemach sterowania napędzanych silnikiem, mechanizm DS zwykle używa cyfrowego procesora sygnałów (DSP) jako głównego kontrolera do zarządzania funkcjami całego systemu. System zawiera również:
Sterowanie napędem izolacji otwarcia/zamknięcia;
Wykrywanie położenia silnika;
Wykrywanie prędkości.
Do wykrywania położenia, obwód detekcyjny położenia dostarcza dokładne sygnały komutacji do obwodu przełącznika logicznego. Prędkość mierzona jest za pomocą enkodera, który wykrywa prędkość rotora, a sygnały LED odbijają prędkość obrotową.
Tradycyjne wykrywanie prądu opiera się na rezystorach shunt, które mają tendencję do dryfu spowodowanego temperaturą, co kompromituje dokładność pomiaru. Ponadto niewystarczająca izolacja elektryczna między obwodami zewnętrznymi a sterującymi może wzmacniać gwałtowne skoki napięcia, zagrożenie bezpieczeństwem systemu.
W obwodzie sterowania ładowaniem i rozładowaniem zamiast konwencjonalnych układów magazynujących energię wykorzystywane są kondensatory. Bank kondensatorów jest naładowany, a następnie izolowany od zewnętrznego źródła zasilania, co zwiększa bezpieczeństwo i efektywność.
3. Ulepszenia w projektowaniu systemu sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem
3.1 Obwód sterujący izolacją przepustnicą
Ten obwód kontroluje prądy w trójfazowych zwinięciach poprzez zarządzanie urządzeniami przełączającymi i implementację skutecznych strategii dla trajektorii przełączania. Redukuje on nadmierną przejściową nadnapięcia i straty przełączania, zapewniając bezpieczne i stabilne działanie komponentów.
Gdy przełącznik jest wyłączony, kondensator absorbuje prąd wyłączający poprzez diodę podczas ładowania. Gdy jest włączony, następuje rozładowanie przez rezystor. Należy używać szybkich diod odzyskujących o dopuszczalnym prądzie przekraczającym ocenę głównego obwodu. Aby zminimalizować indukcyjność pasożytniczą, zaleca się stosowanie wysokoczęstotliwościowych, wysokowydajnych kondensatorów snubbera.
3.2 Obwód detekcji położenia silnika
Ten projekt precyzyjnie określa położenia magnetycznych biegunów rotora, umożliwiając dokładną komutację statorowych zwinięć. Trzy czujniki efektu Halla są zamontowane na dysku Halla, podczas gdy okrągły magnes stały symuluje pole magnetyczne silnika, zwiększając dokładność pozycjonowania. Podczas obrotu magnesu, sygnały wyjściowe czujników Halla zmieniają się wyraźnie, umożliwiając precyzyjne elektroniczne pozycjonowanie rotora.
3.3 Obwód detekcji prędkości
Do pomiaru prędkości rotora używa się optycznego enkoderu rotacyjnego składającego się z optokoplerów LED infraczerwone–fototranzystor i dysku zasłonowego. Optokoplerzy są równomiernie rozmieszczone w kołowym wzorze. Dysk zasłonowy, umieszczony między LED i fototranzystorami, zawiera otwory, które modulują transmisję światła podczas obrotu. Wyjściowy sygnał impulsowy umożliwia obliczenie przyspieszenia i prędkości rotora.
3.4 Obwód detekcji prądu
Tradycyjna detekcja oparta na rezystorze szuntowym cierpi na dryf termiczny i niską dokładność. Ponadto niewystarczająca izolacja elektryczna między obwodami zasilającymi a sterującymi naraża delikatne elementy elektroniczne na uszkodzenia spowodowane przejściowymi napięciami wysokiego napięcia.
Aby to rozwiązać, ulepszony projekt wykorzystuje elektrycznie izolowany czujnik prądu efektu Halla. W trakcie działania, prąd zmienny w zwinięciach silnika jest wykrywany, a suma sygnałów czujnika jest przetwarzana przez wzmacniacz sumujący. Po proporcjonalnym skalowaniu uzyskuje się bezpieczny, izolowany sygnał prądu.
3.5 Obwód sterowania ładowaniem i rozładowaniem kondensatora
System BLDCM zastępuje tradycyjne układy magazynujące energię rozwiązaniem opartym na kondensatorach, znacząco poprawiając efektywność i upraszczając sterowanie ładowaniem i rozładowaniem. Procesor sygnału cyfrowego ciągle monitoruje napięcie kondensatora i kończy ładowanie tylko wtedy, gdy osiągnięte zostaną progi operacyjne. Ten projekt wyróżnia się w zarządzaniu energią i akwizycji sygnałów, umożliwiając precyzyjne sterowanie obwodem.
4. Podsumowanie
System sterowania mechanizmem napędzanym silnikiem do wysokonapięciowych rozłączników reprezentuje strategiczną odpowiedź na rosnące wymagania energetyczne i zobowiązanie do ochrony współczesnych standardów życia. Efektywnie rozwiązując długotrwałe ograniczenia tradycyjnych rozłączników, ten system odgrywa kluczową rolę w rozwoju niezawodności, efektywności i inteligencji infrastruktury energetycznej.
