ระบบควบคุมกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์สำหรับสวิตช์ตัดไฟแรงสูง

อุปกรณ์ตัดไฟแรงสูงต้องการกลไกทำงานที่มีการตอบสนองอย่างรวดเร็วและแรงบิดส่งออกสูง กลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์ในปัจจุบันส่วนใหญ่พึ่งพาชุดลดความเร็วหลายชุด แต่ระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์สามารถตอบสนองต่อความต้องการเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. ภาพรวมของระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์สำหรับอุปกรณ์ตัดไฟแรงสูง

1.1 แนวคิดพื้นฐาน

ระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์หมายถึงระบบที่ใช้กลยุทธ์ควบคุม PID แบบสองวงจรเพื่อควบคุมกระแสไฟฟ้าในขดลวดมอเตอร์และความเร็วรอบ ทำให้สามารถควบคุมการเคลื่อนไหวของกลไก ซึ่งทำให้คอนแทคของอุปกรณ์ตัดไฟ (DS) สามารถไปถึงความเร็วที่กำหนดไว้ที่จุดเดินทางที่ระบุ และตอบสนองความต้องการในการเปิด-ปิดของอุปกรณ์ตัดไฟ (DS)

อุปกรณ์ตัดไฟ (DS) เป็นประเภทของสวิตช์ไฟแรงสูงที่ใช้มากที่สุด มันสร้างช่องว่างฉนวนในระบบไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำหน้าที่แยกส่วนสำคัญและมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงสายและปรับโครงสร้างบัส หน้าที่หลักของระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์คือการตรวจสอบแรงดันและกระแสไฟฟ้าอย่างอัตโนมัติ แยกส่วนแรงสูง และรักษาความปลอดภัยในพื้นที่แรงสูง

1.2 สถานะของการวิจัยและการพัฒนาแนวโน้ม

(1) สถานะของการวิจัย
ในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง ระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเนื่องจากโครงสร้างที่ง่ายและการทำงานที่รวดเร็ว ทำให้ง่ายต่อการควบคุม สถาบันวิจัยและมหาวิทยาลัยทั่วโลกได้แยกแยะกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์ออกจากกลไกสปริงหรือไฮดรอลิก โดยเน้นความง่ายของโครงสร้าง การมั่นคงที่เหนือกว่า วิธีการเก็บแก๊สที่ง่ายกว่า และความซับซ้อนในการทำงานที่น้อยกว่าระบบแบบดั้งเดิม

การทำงานของระบบจะเริ่มจากการเคลื่อนไหวผ่านแรงแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจากกระแสไฟฟ้าภายในขดลวดและเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าภายใน การใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงกำลังกลายเป็นแนวโน้ม นักวิชาการได้ทำความก้าวหน้าอย่างมาก—ไม่หยุดยั้งในการปรับปรุงเทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์และเสนอการปรับปรุงที่เป็นนวัตกรรม

แม้ว่าระบบดังกล่าวจะใช้กับเบรกเกอร์วงจรอย่างกว้างขวาง แต่การวิจัยเกี่ยวกับการใช้งานในอุปกรณ์ตัดไฟยังจำกัดอยู่ แม้ว่ามอเตอร์และส่วนควบคุมจะเป็นส่วนหนึ่งของระบบขับเคลื่อนโดยมอเตอร์ของอุปกรณ์ตัดไฟ แต่ยังไม่มีระบบขับเคลื่อนโดยตรงที่ใช้มอเตอร์เพื่อกระทำคอนแทคเปิด/ปิด—ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการทำงานที่สำคัญ

(2) สถานะการพัฒนา
ในระดับนานาชาติ ผู้ผลิตอุปกรณ์ตัดไฟแข่งขันกันโดยการปรับปรุงโครงสร้างเครื่องจักรและผสานวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบควบคุมอย่างมาก

ในประเทศจีน เมื่อภาคพลังงานพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จำนวนผู้ผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก และบริษัทควบคุมระบบสวิตช์ขนาดใหญ่จำนวนมากได้เกิดขึ้น ระบบอุปกรณ์ตัดไฟแรงสูงภายในประเทศกำลังพัฒนาไปสู่แรงดันและกำลังที่สูงขึ้น ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น การบำรุงรักษาที่น้อยลง การย่อขนาด และการรวมโมดูล:

• แรงดันและกำลังที่สูงขึ้น สอดคล้องกับความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นของประเทศ;

• ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น ทำให้ความสามารถในการบรรทุกกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น;

• วัสดุขั้นสูงและเทคนิคป้องกันการกัดกร่อน เพิ่มความยืดหยุ่นทางกลและลดความต้องการในการบำรุงรักษา;

• การย่อขนาด ตอบสนองความต้องการในการใช้งานระบบที่หลากหลายและมาตรฐาน.

2. สถาปัตยกรรมระบบของระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์

2.1 ระบบกลไก BLDCM

BLDCM ย่อมาจาก Brushless DC Motor มันแปลงไฟฟ้าสลับเป็นไฟฟ้าตรงแล้วใช้อินเวอร์เตอร์แปลงกลับเป็นไฟฟ้าสลับที่ควบคุมได้ ประกอบด้วยมอเตอร์ซิงโครนัสและไดรเวอร์ BLDCM เป็นผลิตภัณฑ์ที่ผสมผสานระหว่างอิเล็กทรอนิกส์และกลไก ที่สามารถแก้ไขข้อเสียของมอเตอร์ DC ที่มีแปรง โดยแทนที่คอมมิวเทเตอร์กลไกด้วยคอมมิวเทเตอร์อิเล็กทรอนิกส์

มันมีการควบคุมความเร็วที่ยอดเยี่ยมและทนทานเหมือนมอเตอร์ AC พร้อมการเปลี่ยนขั้วที่ไม่มีประกายไฟ ความน่าเชื่อถือสูง และบำรุงรักษาง่าย ในกลไกทำงานสำรองสำหรับอุปกรณ์ตัดไฟแรงสูง BLDCMs ทั่วไปจะมาพร้อมกับสวิตช์ลิมิตและขับเคลื่อน DS ผ่านแขนโยกเพื่อทำการเปิด/ปิด—แก้ไขปัญหาดั้งเดิมเช่น การเชื่อมโยงที่มากเกินไปและโครงสร้างที่ซับซ้อน

2.2 ระบบกลไก DS

"DS" หมายถึงอุปกรณ์ตัดไฟแรงสูง ซึ่งให้การแยกไฟฟ้าที่สำคัญ ด้วยโครงสร้างที่ง่ายและมีความน่าเชื่อถือสูง อุปกรณ์ DS ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางและมีบทบาทสำคัญในการออกแบบ การสร้าง และการดำเนินงานของสถานีไฟฟ้าและโรงไฟฟ้า

ในระบบควบคุมกลไกขับเคลื่อนโดยมอเตอร์ กลไก DS ทั่วไปจะใช้โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัล (DSP) เป็นตัวควบคุมหลักเพื่อจัดการฟังก์ชันของระบบโดยรวม ระบบยังรวมถึง:

• การควบคุมการขับเคลื่อนเปิด/ปิด;

• การตรวจจับตำแหน่งมอเตอร์;

• การตรวจจับความเร็ว.

สำหรับการตรวจจับตำแหน่ง วงจรตรวจจับตำแหน่งจะให้สัญญาณการเปลี่ยนขั้วที่แม่นยำไปยังวงจรสวิตช์ลอจิก ความเร็วถูกวัดโดยใช้เอ็นโค้ดเดอร์ที่ตรวจจับความเร็วรอบโรเตอร์ ด้วยสัญญาณเอาต์พุต LED ที่สะท้อนความเร็วรอบ

การตรวจจับกระแสแบบดั้งเดิมพึ่งพาตัวต้านทานชันต์ ซึ่งมีปัญหาการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ทำให้ความแม่นยำในการวัดลดลง นอกจากนี้ การแยกทางไฟฟ้าระหว่างวงจรภายนอกและวงจรควบคุมที่ไม่เพียงพออาจขยายแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น ทำให้เกิดภัยคุกคามต่อความปลอดภัยของระบบ

ในการออกแบบวงจรควบคุมการชาร์จ/ปล่อยประจุ ระบบ BLDCM แทนที่แหล่งเก็บพลังงานแบบดั้งเดิมด้วยตัวเก็บประจุ ธนาคารตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จแล้วแยกออกจากแหล่งพลังงานภายนอก เพื่อเพิ่มความปลอดภัยและความมีประสิทธิภาพ

3. การปรับปรุงการออกแบบสำหรับระบบควบคุมกลไกการทำงานของมอเตอร์

3.1 วงจรควบคุมการขับเคลื่อนเปิด/ปิดและแยกวงจร

วงจรนี้ควบคุมกระแสไฟฟ้าในขดลวดสามเฟสโดยการจัดการอุปกรณ์สวิตชิงและการใช้ยุทธศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมทางสวิตช์ มันลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวและสูญเสียจากการสวิตชิง ทำให้การทำงานขององค์ประกอบปลอดภัยและมั่นคง

เมื่อสวิตช์ปิด ตัวเก็บประจุจะดูดซับกระแสไฟฟ้าขณะชาร์จผ่านไดโอด เมื่อสวิตช์เปิด จะปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน ควรใช้ไดโอดรีคัพเวอรี่เร็วที่มีอัตรากระแสเกินกว่าการกำหนดของวงจรหลัก เพื่อลดความเหนี่ยวนำพาราไซติก แนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุสแนบเบอร์ความถี่สูงและประสิทธิภาพสูง

3.2 วงจรตรวจจับตำแหน่งมอเตอร์

การออกแบบนี้สามารถตรวจสอบตำแหน่งแม่เหล็กของโรเตอร์ได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถควบคุมการสลับขดลวดสเตเตอร์ได้อย่างถูกต้อง ติดตั้งเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์สามตัวบนแผ่นฮอลล์ ในขณะที่แม่เหล็กวงกลมจำลองสนามแม่เหล็กของมอเตอร์เพื่อเพิ่มความแม่นยำของตำแหน่ง เมื่อแม่เหล็กหมุน ผลลัพธ์จากเซ็นเซอร์ฮอลล์จะเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจน ทำให้สามารถระบุตำแหน่งโรเตอร์ได้อย่างแม่นยำ

3.3 วงจรตรวจจับความเร็ว

ใช้ออปติคอลโรตารี่เอนโค้ดเดอร์—ประกอบด้วยออปโตคูเพิลเลอร์ LED อินฟราเรด-โฟโตทรานซิสเตอร์และแผ่นชัตเตอร์วงกลมที่มีช่องว่าง—เพื่อวัดความเร็วของโรเตอร์ ออปโตคูเพิลเลอร์กระจายอยู่ในรูปแบบวงกลม แผ่นชัตเตอร์วางไว้ระหว่าง LED และโฟโตทรานซิสเตอร์ ซึ่งมีช่องว่างที่ควบคุมการส่งผ่านแสงขณะหมุน สัญญาณเอาท์พุตแบบพัลส์ที่ได้จะช่วยคำนวณความเร่งและความเร็วของโรเตอร์

3.4 วงจรตรวจจับกระแส

การตรวจจับกระแสแบบดั้งเดิมโดยใช้ตัวต้านทานเชิงพาหะมีปัญหาเรื่องการคลายตัวเนื่องจากความร้อนและความแม่นยำที่ไม่ดี นอกจากนี้ การแยกไฟฟ้าระหว่างวงจรกำลังและวงจรควบคุมที่ไม่เพียงพออาจทำให้สัญญาณไฟฟ้าแรงสูงทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อน

ในการแก้ไขปัญหานี้ การออกแบบที่ปรับปรุงใหม่ใช้เซ็นเซอร์กระแสเอฟเฟกต์ฮอลล์ที่แยกไฟฟ้า โดยที่กระแสสลับในขดลวดมอเตอร์ถูกตรวจจับ และแอมพลิไฟเออร์รวมจะทำการประมวลผลเอาท์พุตจากเซ็นเซอร์ หลังจากทำการปรับขนาดตามสัดส่วน จะได้สัญญาณกระแสที่ปลอดภัยและแยกไฟฟ้า

3.5 วงจรควบคุมการชาร์จ/ปล่อยประจุตัวเก็บประจุ

ระบบ BLDCM แทนที่แหล่งเก็บพลังงานแบบดั้งเดิมด้วยโซลูชันที่ใช้ตัวเก็บประจุ ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพและลดความซับซ้อนในการควบคุมการชาร์จ/ปล่อยประจุ โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลจะตรวจสอบแรงดันตัวเก็บประจุอย่างต่อเนื่อง และหยุดการชาร์จเฉพาะเมื่อถึงระดับการดำเนินงานที่กำหนด การออกแบบนี้มีความโดดเด่นในการจัดการพลังงานและการรับสัญญาณ ทำให้สามารถควบคุมวงจรได้อย่างแม่นยำ

4. สรุป

ระบบควบคุมกลไกการทำงานของมอเตอร์สำหรับสวิตช์ตัดไฟแรงสูงเป็นการตอบสนองเชิงกลยุทธ์ต่อความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นและการมุ่งมั่นในการรักษามาตรฐานการอยู่อาศัยสมัยใหม่ ด้วยการแก้ไขข้อจำกัดที่มีมายาวนานของสวิตช์ตัดไฟแบบดั้งเดิม ระบบดังกล่าวมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ และความฉลาดของโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงาน