Система управления моторным механизмом для высоковольтных разъединителей

Высоковольтные разъединители требуют механизмов управления с быстрым откликом и высоким крутящим моментом. Большинство современных моторных механизмов полагаются на серию редукционных компонентов, однако системы управления моторными механизмами эффективно удовлетворяют этим требованиям.

1. Обзор системы управления моторным механизмом для высоковольтных разъединителей

1.1 Основная концепция

Система управления моторным механизмом в основном относится к системе, которая использует двухконтурную стратегию управления PID для регулирования тока обмотки двигателя и скорости вращения, тем самым контролируя движение механизма. Это обеспечивает, чтобы контакты разъединителя достигали заданных скоростей в указанных точках перемещения, удовлетворяя требуемым скоростям отключения и включения разъединителя (DS).

Разъединители (DS) являются наиболее широко используемым типом высоковольтного коммутационного оборудования. Они эффективно создают изоляционный зазор в электрических сетях, выполняя важные функции изоляции и играя ключевую роль в переключении линий и перенастройке шин. Основная функция системы управления моторным механизмом состоит в автоматическом мониторинге напряжения и тока, изоляции высоковольтных секций и обеспечении безопасности в высоковольтных зонах.

1.2 Состояние исследований и тенденции развития

(1) Состояние исследований
В высоковольтном оборудовании системы управления моторными механизмами широко применяются благодаря их простой конструкции и быстрому действию, что обеспечивает легкость управления. Исследовательские институты и университеты по всему миру четко дифференцируют моторные механизмы от пружинных или гидравлических, подчеркивая их простоту конструкции, высокую стабильность, более простые методы хранения сжатого газа и меньшую сложность эксплуатации по сравнению с традиционными системами.

В операционном режиме система начинает движение за счет электромагнитной силы, генерируемой токопроводящими катушками и внутренними изменениями тока. Её применение в высоковольтном оборудовании становится тенденцией, и учёные достигают значительных успехов — непрерывно улучшая технологии моторного привода и предлагая инновационные усовершенствования.

Хотя такие системы широко применяются к выключателям, исследования их использования в разъединителях остаются ограниченными. Хотя двигатели и компоненты управления являются частью моторных систем разъединителей, на данный момент не существует прямого привода, который бы использовал двигатель для непосредственного приведения контактов в движение при отключении/включении — что создает значительные ограничения в эксплуатации.

(2) Состояние развития
На международном уровне производители разъединителей в основном конкурируют, улучшая механические конструкции и интегрируя новые материалы и технологии, чтобы значительно повысить производительность систем управления.

В Китае, с устойчивым развитием энергетической отрасли, количество производителей значительно увеличилось, и возникло множество крупных компаний по управлению системами коммутации. Домашние высоковольтные системы разъединителей развиваются в направлении более высоких классов напряжения, большей мощности, повышенной надежности, снижения обслуживания, миниатюризации и модульной интеграции:

• Более высокое напряжение и мощность соответствуют растущим потребностям в энергоснабжении страны;

• Повышенная надежность улучшает способность проводить ток;

• Продвинутые материалы и антикоррозийные технологии увеличивают механическую гибкость и снижают потребности в обслуживании;

• Миниатюризация отвечает растущим потребностям в универсальности и стандартизации системы.

2. Архитектура системы управления моторным механизмом

2.1 Система BLDCM

BLDCM означает бесщеточный DC-двигатель. Он преобразует переменный ток в постоянный, а затем использует инвертор для преобразования его обратно в управляемый переменный ток. Включающий синхронный двигатель и драйвер, BLDCM представляет собой электромеханический интегрированный продукт, который преодолевает недостатки щеточных DC-двигателей, заменяя механические коллекторы электронными.

Он сочетает в себе отличное регулирование скорости с прочностью AC-двигателей, имеет бесискровое коммутирование, высокую надежность и простоту обслуживания. В резервных механизмах управления высоковольтными разъединителями BLDCM обычно оснащаются концевыми выключателями и непосредственно приводят DS через рычаг для выполнения операций отключения/включения — эффективно решая традиционные проблемы, такие как избыточные связи и структурная сложность.

2.2 Система механизма DS

"DS" обозначает высоковольтный разъединитель, который обеспечивает критическую электрическую изоляцию. С простой конструкцией и высокой надежностью, устройства DS широко используются и играют ключевую роль в проектировании, строительстве и эксплуатации подстанций и электростанций.

В системах управления моторными механизмами система механизма DS обычно использует цифровой сигнальный процессор (DSP) в качестве основного контроллера для управления общими функциями системы. Система также включает:

• Управление изоляцией при открытии/закрытии;

• Обнаружение положения двигателя;

• Обнаружение скорости.

Для обнаружения положения цепь обнаружения положения предоставляет точные сигналы коммутации в логическую схему переключения. Скорость измеряется с помощью энкодера, который определяет скорость вращения ротора, с LED-выходными сигналами, отражающими скорость вращения.

Традиционное обнаружение тока основано на шунтовых резисторах, которые подвержены дрейфу, вызванному температурой, что снижает точность измерений. Кроме того, недостаточная электрическая изоляция между внешними и управляющими цепями может усиливать скачки напряжения, угрожая безопасности системы.

В схеме управления зарядом/разрядом в системе BLDCM вместо традиционных накопителей энергии используются конденсаторы. Банк конденсаторов заряжается, а затем изолируется от внешнего источника питания, что повышает безопасность и эффективность.

3. Улучшения в проектировании системы управления механизмом с электроприводом

3.1 Схема управления цепью изоляции привода открытия/закрытия

Эта схема управляет токами в трехфазных обмотках, контролируя коммутационные устройства и реализуя эффективные стратегии для управления траекторией переключения. Она снижает переходные перенапряжения и потери при переключении, обеспечивая безопасную и стабильную работу компонентов.

Когда выключатель отключен, конденсатор через диод поглощает ток отключения во время зарядки. Когда он включен, разряд происходит через резистор. Необходимо использовать быстродействующие диоды с номинальными токами, превышающими номинал основной цепи. Для минимизации паразитной индуктивности рекомендуется использовать высокочастотные, высокопроизводительные гасящие конденсаторы.

3.2 Схема определения положения двигателя

Этот дизайн точно определяет положение магнитных полюсов ротора, что позволяет точно управлять коммутацией обмоток статора. Три датчика Холла закреплены на диске Холла, а круглый постоянный магнит имитирует магнитное поле двигателя для повышения точности определения положения. При вращении магнита выходные сигналы датчиков Холла изменяются, что позволяет точно определить электронное положение ротора.

3.3 Схема определения скорости

Для измерения скорости ротора используется оптический вращающийся энкодер, состоящий из оптопар из инфракрасного светодиода и фототранзистора, а также диска с прорезями. Оптопары равномерно распределены по кругу. Диск с прорезями, расположенный между светодиодами и фототранзисторами, содержит окна, которые модулируют передачу света при вращении. Результативный импульсный выходной сигнал позволяет рассчитать ускорение и скорость ротора.

3.4 Схема определения тока

Традиционное определение тока с помощью шунтов страдает от теплового дрейфа и низкой точности. Кроме того, недостаточная электрическая изоляция между силовой и управляющей цепями создает риск повреждения чувствительной электроники высоковольтными переходными процессами.

Для решения этой проблемы в улучшенном дизайне используется изолированный датчик тока Холла. Во время работы переменный ток в обмотках двигателя измеряется, а суммирующий усилитель обрабатывает выходной сигнал датчика. После пропорционального масштабирования получается безопасный, изолированный сигнал тока.

3.5 Схема управления зарядом/разрядом конденсатора

Система BLDCM заменяет традиционные накопители энергии на конденсаторные решения, значительно повышая эффективность и упрощая управление зарядом/разрядом. Цифровой сигнальный процессор постоянно мониторит напряжение на конденсаторах и прекращает зарядку только при достижении операционных пороговых значений. Этот дизайн отличается эффективностью управления энергией и сбора сигналов, обеспечивая точное управление цепью.

4. Заключение

Система управления механизмом с электроприводом для высоковольтных разъединителей представляет собой стратегический ответ на растущие потребности в электроэнергии и обязательство по защите современных стандартов жизни. Эффективно решая долгосрочные ограничения традиционных разъединителей, эта система играет ключевую роль в повышении надежности, эффективности и интеллектуальности энергетической инфраструктуры.