Система керування моторним приводом для високовольтних відключаючих пристроїв
Високовольтові відключаючі пристрої потребують механізмів управління з швидкою реакцією та високим вихідним моментом. Більшість сучасних моторних механізмів залежать від ряду елементів зменшення, але системи керування моторними механізмами ефективно задовольняють ці вимоги.
1. Огляд системи керування моторними механізмами для високовольтових відключаючих пристроїв
1.1 Основна концепція
Система керування моторними механізмами в основному використовує стратегію керування з подвійним ПІД-регулятором для регулювання струму обмотки мотора та обертальної швидкості, що забезпечує контроль руху механізму. Це гарантує, що контакти відключаючого пристрою (DS) досягають визначених швидкостей у вказаних точках переміщення, задовольняючи необхідні швидкості відкриття та закриття відключаючого пристрою (DS).
Відключаючі пристрої (DS) є найпоширенішим типом високовольтового комутаційного обладнання. Вони ефективно створюють ізоляційний прогалину в електромережах, виконуючи важливі функції ізоляції та граючи ключову роль у переключенні ліній та переконфігурації шин. Основна функція системи керування моторними механізмами полягає в автоматичному моніторингу напруги та струму, ізоляції високовольтових секцій та забезпеченні безпеки у високовольтових зонах.
1.2 Стан досліджень та тенденції розвитку
(1) Стан досліджень
У високовольтовому обладнанні системи керування моторними механізмами широко прийняті через простоту конструкції та швидкість операцій, що забезпечує легкість керування. Науково-дослідні установи та університети по всьому світу чітко розмежовують моторні механізми від пружинних або гідравлічних механізмів, підкреслюючи їхню простоту конструкції, вищу стабільність, простіші методи зберігання стиснутого газу та нижчу складність експлуатації порівняно з традиційними системами.
Функціонально система запускає рух за допомогою електромагнітної сили, створеної струмопровідними катушками та внутрішніми змінами струму. Її застосування у високовольтовому обладнанні стає тенденцією, і науковці досягають значних успіхів, постійно вдосконалюючи технології моторного приводу та запропоновуючи новаторські поліпшення.
Хоча такі системи часто застосовуються до вимикачів, дослідження їх використання в відключаючих пристроях залишається обмеженим. Хоча мотори та компоненти керування є частиною моторних систем відключаючих пристроїв, наразі не існує прямої системи приводу, яка використовувала б мотор для безпосереднього активування відкриття/закриття контактів, що створює значні обмеження в експлуатації.
(2) Стан розвитку
На міжнародному рівні виробники відключаючих пристроїв переважно конкурують, покращуючи механічні конструкції та інтегруючи нові матеріали та технології, що значно підвищує продуктивність систем керування.
У Китаї, зі стабільним розвитком енергетичної галузі, кількість виробників значно зросла, і з'явилося багато великих компаній, які спеціалізуються на системах керування вимикачами. Домашні високовольтові системи відключаючих пристроїв розвиваються в напрямку вищих класів напруги, більшої потужності, підвищеної надійності, зменшеного обслуговування, мініатюрізації та модульної інтеграції:
Вища напруга та потужність відповідають зростаючим потребам національного електропостачання;
Підвищена надійність покращує спроможність проводити струм;
Прогресивні матеріали та антикорозійні технології збільшують механічну гнучкість та зменшують потреби в обслуговуванні;
Мініатюрізація задовольняє зростаючі потреби в універсальності та стандартизації систем.
2. Архітектура системи керування моторними механізмами
2.1 Система BLDCM
BLDCM означає бесщітковий двигун постійного струму. Він перетворює перемінний струм на постійний, а потім за допомогою інвертора знову перетворює його на контролюваний перемінний струм. Складаючись з синхронного двигуна та приводу, BLDCM є електромеханічним інтегрованим продуктом, який подолує недоліки щіткових двигунів постійного струму, замінюючи механічні колектори електронними.
Він поєднує відмінне регулювання швидкості з міцністю двигунів перемінного струму, маючи безискрове комутування, високу надійність та легке обслуговування. У механізмах управління високовольтовими відключаючими пристроями, BLDCM зазвичай оснащуються граничними переключниками та безпосередньо приводять DS за допомогою крутого руку, що виконує операції відкриття/закриття, ефективно вирішуючи традиційні проблеми, такі як надмірні зв'язки та складність конструкції.
2.2 Система DS
"DS" позначає високовольтовий відключаючий пристрій, який забезпечує критичну електричну ізоляцію. З простішою конструкцією та високою надійністю, пристрої DS широко використовуються та відіграють ключову роль у проектуванні, будівництві та експлуатації підстанцій та електростанцій.
У системах керування моторними приводами, механізм DS зазвичай використовує цифровий сигнальний процесор (DSP) як основний контролер для управління загальними функціями системи. Система також включає:
Контроль відкриття/закриття ізоляційного приводу;
Виявлення положення мотора;
Виявлення швидкості.
Для виявлення положення, контур виявлення положення надає точні сигнали комутації до логічного комутаційного контуру. Швидкість вимірюється за допомогою кодирувального пристрою, який виявляє швидкість ротора, з LED-виводом сигналів, що відображають обертальну швидкість.
Традиційне виявлення струму залежить від шунтів, які страждають від температурного дрейфу, що погіршує точність вимірювання. Крім того, недостатня електрична ізоляція між зовнішніми та керуючими контурами може підвищити випадкові підвищення напруги, що загрожує безпеці системи.
У проектуванні керуючого контуру заряджання/розрядження, система BLDCM замінює традиційні засоби зберігання енергії конденсаторами. Банка конденсаторів заряджається, а потім відокремлюється від зовнішнього джерела живлення, що підвищує безпеку та ефективність.
3. Вдосконалення дизайну системи керування механізмом з приводом двигуна
3.1 Контрольний контур відкриття/закриття ізоляційного приводу
Цей контур керує струмами у трьохфазних обмотках, керуючи пристроями переключення живлення та реалізовуючи ефективні стратегії для траєкторії переключення. Він зменшує перехідні наднапруги та втрати при переключенні, забезпечуючи безпечне та стабільне функціонування компонентів.
Коли вимикач вимкнений, конденсатор поглинає струм відключення через діод під час заряджання. Коли вимикач увімкнений, розряд відбувається через резистор. Потрібно використовувати швидкореагуючі діоди з номінальним струмом, який перевищує рейтинг основного контуру. Для зменшення паразитної індуктивності рекомендується використовувати високочастотні, високопродуктивні снабберні конденсатори.
3.2 Контур визначення положення двигуна
Цей дизайн точно визначає положення магнітних полюсів ротора, що дозволяє точне комутаційне керування обмотками статора. Три сенсори Холла закріплені на диску Холла, а круглий постійний магніт імітує магнітне поле двигуна для покращення точності положення. Коли магніт обертається, вихідні сигнали сенсорів Холла змінюються, що дозволяє точне електронне позиціонування ротора.
3.3 Контур визначення швидкості
Для вимірювання швидкості ротора використовується оптичний ротаційний енкодер, що складається з оптопар (ІК-діод – фототранзистор) та диском з прорізями. Оптопари розташовані рівномірно в колі. Диск з прорізями, розташований між світлодіодами та фототранзисторами, має вікна, які модулюють передачу світла при обертанні. Результативний імпульсний вихідний сигнал дозволяє обчислити прискорення та швидкість ротора.
3.4 Контур виявлення струму
Традиційне виявлення струму за допомогою шунт-резистора страждає від термічного дрейфу та низької точності. Крім того, недостатня електрична ізоляція між силовими та керуючими контурами може призвести до пошкодження чутливих електронних компонентів через високі напруги.
Щоб це вирішити, вдосконалений дизайн використовує електрично ізольований сенсор струму на ефекті Холла. Під час роботи черговий струм у обмотках двигуна виявляється, а сумуючий підсилювач обробляє вихід сенсора. Після пропорційного масштабування отримується безпечний, ізольований сигнал струму.
3.5 Контур керування заряджанням/розрядженням конденсатора
Система BLDCM замінює традиційні засоби зберігання енергії на базі конденсаторів, значно покращуючи ефективність та спрощуючи керування заряджанням/розрядженням. Цифровий процесор сигналів постійно моніторить напругу конденсатора і завершує заряджання лише тоді, коли досягаються операційні пороги. Цей дизайн відрізняється відмінним управлінням енергією та збором сигналів, що дозволяє точне керування контуром.
4. Висновки
Система керування механізмом з приводом двигуна для високовольтних відключувачів є стратегічною відповіддю на зростаючі потреби в енергії та присвяченням захисту сучасних стандартів життя. Ефективно вирішуючи довгострокові обмеження традиційних відключувачів, ця система грає ключову роль у підвищенні надійності, ефективності та інтелектуальності енергетичної інфраструктури.
