Sistema de Controle de Mecanismo Motorizado para Disjuntores de Alta Tensão

Os desligadores de alta tensão requerem mecanismos de operação com resposta rápida e torque de saída elevado. A maioria dos mecanismos atualmente motorizados depende de uma série de componentes de redução, mas os sistemas de controle de mecanismos motorizados atendem efetivamente a esses requisitos.

1. Visão Geral do Sistema de Controle do Mecanismo Motorizado para Desligadores de Alta Tensão

1.1 Conceito Básico

O sistema de controle do mecanismo motorizado refere-se principalmente a um sistema que emprega uma estratégia de controle PID de dupla malha para regular a corrente nas bobinas do motor e a velocidade de rotação, controlando assim o movimento do mecanismo. Isso garante que os contatos do desligador atinjam as velocidades especificadas em pontos de deslocamento designados, satisfazendo as velocidades de abertura e fechamento necessárias do desligador (DS).

Os desligadores (DS) são o tipo mais amplamente utilizado de equipamento de manobra de alta tensão. Eles estabelecem eficazmente uma lacuna de isolamento nas redes de energia, cumprindo funções críticas de isolamento e desempenhando um papel vital na comutação de linhas e reconfiguração de barras. A função principal do sistema de controle do mecanismo motorizado é monitorar automaticamente a tensão e a corrente, isolar seções de alta tensão e garantir a segurança em áreas de alta tensão.

1.2 Status da Pesquisa e Tendências de Desenvolvimento

(1) Status da Pesquisa
Em equipamentos de alta tensão, os sistemas de controle de mecanismos motorizados são amplamente adotados devido à sua estrutura simples e operação rápida, oferecendo facilidade de controle. Instituições de pesquisa e universidades em todo o mundo diferenciaram claramente os mecanismos motorizados dos mecanismos de mola ou hidráulicos, destacando sua simplicidade estrutural, superior estabilidade, métodos de armazenamento de gás comprimido mais simples e menor complexidade operacional em comparação com sistemas convencionais.

Operacionalmente, o sistema inicia o movimento através da força eletromagnética gerada por bobinas condutoras de corrente e variações internas de corrente. Sua aplicação em equipamentos de alta tensão está se tornando uma tendência, com acadêmicos alcançando progressos notáveis - continuamente refinando tecnologias de acionamento por motor e propondo melhorias inovadoras.

Embora tais sistemas sejam comumente aplicados a disjuntores, a pesquisa sobre seu uso em desligadores permanece limitada. Embora motores e componentes de controle façam parte dos sistemas de acionamento motorizado de desligadores, não existe atualmente nenhum sistema de acionamento direto que use um motor para atuar diretamente na abertura/fechamento dos contatos - impondo limitações significativas na operação.

(2) Status de Desenvolvimento
Internacionalmente, os fabricantes de desligadores competem principalmente melhorando as estruturas mecânicas e integrando novos materiais e tecnologias para aumentar significativamente o desempenho dos sistemas de controle.

Na China, com o avanço constante da indústria de energia, o número de fabricantes cresceu substancialmente, surgindo numerosas empresas de grandes sistemas de controle de comutação. Os sistemas domésticos de desligadores de alta tensão estão evoluindo para tensões e capacidades mais altas, maior confiabilidade, menor manutenção, miniaturização e integração modular:

• Tensões e capacidades mais altas alinhadas com a crescente demanda nacional de fornecimento de energia;

• Maior confiabilidade melhora a capacidade de condução de corrente;

• Materiais avançados e técnicas anticorrosivas aumentam a flexibilidade mecânica e reduzem as necessidades de manutenção;

• Miniaturização atende às crescentes demandas de versatilidade e padronização do sistema.

2. Arquitetura do Sistema de Controle do Mecanismo Motorizado

2.1 Sistema do Mecanismo BLDCM

BLDCM significa Motor de Corrente Contínua Sem Escovas. Ele retifica a energia CA em CC e depois usa um inversor para convertê-la novamente em CA controlada. Composto por um motor síncrono e um driver, o BLDCM é um produto eletromecânico integrado que supera as desvantagens dos motores de corrente contínua com escovas, substituindo os comutadores mecânicos por eletrônicos.

Ele combina excelente regulação de velocidade com a robustez dos motores de corrente alternada, apresentando comutação sem faíscas, alta confiabilidade e fácil manutenção. Nos mecanismos de operação de espera para desligadores de alta tensão, os BLDCMs são geralmente equipados com interruptores de fim de curso e acionam diretamente o DS por meio de um braço oscilante para realizar operações de abertura/fechamento - resolvendo eficazmente problemas tradicionais como excesso de acoplamentos e complexidade estrutural.

2.2 Sistema do Mecanismo DS

"DS" denota o desligador de alta tensão, que fornece isolamento elétrico crítico. Com uma estrutura simples e alta confiabilidade, as unidades DS são amplamente utilizadas e desempenham um papel fundamental no projeto, construção e operação de subestações e usinas de energia.

Nos sistemas de controle motorizado, o mecanismo DS geralmente utiliza um Processador de Sinal Digital (DSP) como controlador central para gerenciar as funções do sistema. O sistema também inclui:

• Controle de acionamento de isolamento de abertura/fechamento;

• Detecção de posição do motor;

• Detecção de velocidade.

Para a detecção de posição, o circuito de detecção de posição fornece sinais de comutação precisos ao circuito de comutação lógica. A velocidade é medida usando um codificador que detecta a velocidade do rotor, com sinais de saída LED refletindo a velocidade de rotação.

A detecção de corrente tradicional depende de resistores shunt, que sofrem deriva induzida por temperatura, comprometendo a precisão da medição. Além disso, a insuficiência de isolamento elétrico entre os circuitos externos e de controle pode amplificar surtos de tensão, ameaçando a segurança do sistema.

No circuito de controle de carga/descarga, o sistema BLDCM substitui a armazenamento de energia convencional por capacitores. O banco de capacitores é carregado e depois isolado da fonte de alimentação externa, aumentando a segurança e a eficiência.

3. Melhorias no Projeto do Sistema de Controle do Mecanismo Operado por Motor

3.1 Circuito de Controle de Isolamento de Acionamento de Abertura/Fechamento

Este circuito controla as correntes de enrolamento trifásico gerenciando dispositivos de comutação de potência e implementando estratégias eficazes para a trajetória de comutação. Mitiga a sobretensão transitória e as perdas de comutação, garantindo a operação segura e estável dos componentes.

Quando o interruptor está desligado, um capacitor absorve a corrente de desligamento através de um diodo durante a carga. Quando ligado, ocorre a descarga através de um resistor. Devem ser usados diodos de recuperação rápida com correntes nominais superiores à classificação do circuito principal. Para minimizar a indutância parasita, são recomendados capacitores snubber de alta frequência e alto desempenho.

3.2 Circuito de Detecção de Posição do Motor

Este projeto determina com precisão as posições dos polos magnéticos do rotor, permitindo o controle de comutação preciso das bobinas do estator. Três sensores de efeito Hall são fixados em um disco de Hall, enquanto um ímã permanente circular simula o campo magnético do motor para maior precisão posicional. À medida que o ímã gira, as saídas dos sensores de Hall variam distintamente, permitindo a posicionamento eletrônico preciso do rotor.

3.3 Circuito de Detecção de Velocidade

Um codificador rotativo óptico - composto por optoacopladores LED infravermelho-fototransistor e um disco de obturador com fendas - é usado para medir a velocidade do rotor. Os optoacopladores estão distribuídos uniformemente em um padrão circular. O disco de obturador, posicionado entre os LEDs e os fototransistores, contém janelas que modulam a transmissão de luz conforme gira. O sinal de saída pulsado resultante permite o cálculo da aceleração e da velocidade do rotor.

3.4 Circuito de Detecção de Corrente

A detecção baseada em resistores shunt tradicionais sofre de deriva térmica e baixa precisão. Além disso, a insuficiente isolamento elétrico entre os circuitos de potência e controle arrisca danos aos eletrônicos sensíveis devido a transientes de alta tensão.

Para resolver isso, o projeto melhorado utiliza um sensor de corrente de efeito Hall eletricamente isolado. Durante a operação, a corrente alternada nas bobinas do motor é detectada, e um amplificador somador processa a saída do sensor. Após o dimensionamento proporcional, um sinal de corrente seguro e isolado é obtido.

3.5 Circuito de Controle de Carga/Descarga do Capacitor

O sistema BLDCM substitui soluções de armazenamento de energia convencionais por soluções baseadas em capacitores, melhorando significativamente a eficiência e simplificando o controle de carga/descarga. Um processador de sinal digital monitora continuamente a tensão do capacitor e encerra o carregamento apenas quando os limiares operacionais são atingidos. Este design se destaca na gestão de energia e na aquisição de sinais, permitindo o controle preciso do circuito.

4. Conclusão

O sistema de controle do mecanismo operado por motor para desconectores de alta tensão representa uma resposta estratégica às crescentes demandas de energia e um compromisso com a preservação dos padrões modernos de vida. Ao resolver eficazmente as limitações de longa data dos desconectores tradicionais, este sistema desempenha um papel crucial na promoção da confiabilidade, eficiência e inteligência da infraestrutura de energia.