Hệ thống điều khiển cơ cấu điện cho cầu dao điện áp cao

Các công tắc cách ly điện áp cao yêu cầu cơ chế vận hành có phản ứng nhanh và mô-men xoắn đầu ra lớn. Hầu hết các cơ chế vận hành bằng động cơ hiện nay dựa trên một loạt các thành phần giảm tốc, nhưng hệ thống điều khiển cơ chế vận hành bằng động cơ hiệu quả đáp ứng được những yêu cầu này.

1. Tổng quan về Hệ thống Điều khiển Cơ chế Vận hành Bằng Động cơ cho Công tắc Cách ly Điện áp Cao

1.1 Khái niệm Cơ bản

Hệ thống điều khiển cơ chế vận hành bằng động cơ chủ yếu đề cập đến hệ thống sử dụng chiến lược điều khiển PID hai vòng để điều chỉnh dòng điện cuộn dây động cơ và tốc độ quay, do đó kiểm soát chuyển động của cơ chế. Điều này đảm bảo rằng các tiếp điểm công tắc cách ly đạt được tốc độ cụ thể tại các điểm di chuyển được chỉ định, thỏa mãn tốc độ đóng mở yêu cầu của công tắc cách ly (DS).

Công tắc cách ly (DS) là loại thiết bị đóng cắt điện áp cao được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng tạo ra khoảng cách cách điện trong mạng điện, thực hiện chức năng cách ly quan trọng và đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển mạch đường dây và tái cấu trúc thanh cái. Chức năng chính của hệ thống điều khiển cơ chế vận hành bằng động cơ là tự động theo dõi điện áp và dòng điện, cách ly các phần điện áp cao và đảm bảo an toàn trong khu vực điện áp cao.

1.2 Tình hình Nghiên cứu và Xu hướng Phát triển

(1) Tình hình Nghiên cứu
Trong thiết bị điện áp cao, hệ thống điều khiển cơ chế vận hành bằng động cơ được áp dụng rộng rãi do cấu trúc đơn giản và vận hành nhanh chóng, dễ dàng kiểm soát. Các tổ chức nghiên cứu và đại học trên toàn thế giới đã phân biệt rõ ràng cơ chế vận hành bằng động cơ so với cơ chế lò xo hoặc thủy lực, nhấn mạnh vào sự đơn giản về cấu trúc, ổn định hơn, phương pháp lưu trữ khí nén đơn giản hơn và phức tạp hoạt động thấp hơn so với các hệ thống truyền thống.

Về mặt vận hành, hệ thống bắt đầu chuyển động thông qua lực điện từ do dòng điện trong cuộn dây và biến đổi dòng điện bên trong. Việc áp dụng hệ thống này trong thiết bị điện áp cao đang trở thành xu hướng, với các nhà khoa học đạt được tiến bộ đáng kể - liên tục cải thiện công nghệ điều khiển động cơ và đề xuất các cải tiến sáng tạo.

Mặc dù các hệ thống như vậy thường được áp dụng cho công tắc cắt mạch, nghiên cứu về việc sử dụng chúng trong công tắc cách ly vẫn còn hạn chế. Mặc dù động cơ và các thành phần điều khiển là một phần của hệ thống cơ chế vận hành bằng động cơ công tắc cách ly, hiện chưa có hệ thống trực tiếp nào sử dụng động cơ để trực tiếp kích hoạt việc mở/đóng tiếp điểm - gây ra hạn chế vận hành đáng kể.

(2) Tình hình Phát triển
Trên quốc tế, các nhà sản xuất công tắc cách ly cạnh tranh chủ yếu bằng cách cải thiện cấu trúc cơ khí và tích hợp các vật liệu và công nghệ mới để tăng cường đáng kể hiệu suất hệ thống điều khiển.

Ở Trung Quốc, với sự phát triển ổn định của ngành điện, số lượng nhà sản xuất đã tăng đáng kể, và nhiều công ty hệ thống điều khiển công tắc lớn đã xuất hiện. Các hệ thống công tắc cách ly điện áp cao trong nước đang tiến triển theo hướng điện áp và công suất cao hơn, độ tin cậy cao hơn, giảm bảo trì, nhỏ gọn hóa và tích hợp mô-đun:

• Điện áp và công suất cao hơn phù hợp với nhu cầu cung cấp điện quốc gia ngày càng tăng;

• Độ tin cậy cao hơn cải thiện khả năng tải dòng điện;

• Vật liệu tiên tiến và kỹ thuật chống ăn mòn tăng tính linh hoạt cơ khí và giảm nhu cầu bảo trì;

• Nhỏ gọn hóa đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tính linh hoạt và chuẩn hóa của hệ thống.

2. Kiến trúc Hệ thống của Hệ thống Điều khiển Cơ chế Vận hành Bằng Động cơ

2.1 Hệ thống Cơ chế BLDCM

BLDCM là viết tắt của Động cơ DC không chổi than. Nó chỉnh lưu điện áp AC thành DC và sau đó sử dụng biến tần để chuyển đổi lại thành AC được kiểm soát. Gồm một động cơ đồng bộ và bộ điều khiển, BLDCM là sản phẩm tích hợp điện-mechanical khắc phục nhược điểm của động cơ DC có chổi than bằng cách thay thế commutator cơ khí bằng commutator điện tử.

Nó kết hợp khả năng điều chỉnh tốc độ tốt với độ bền của động cơ AC, có đặc điểm là không có tia lửa khi commutate, độ tin cậy cao và dễ bảo dưỡng. Trong cơ chế vận hành chờ cho công tắc cách ly điện áp cao, BLDCM thường được trang bị các công tắc giới hạn và trực tiếp lái DS thông qua cánh tay quay để thực hiện các hoạt động mở/đóng - giải quyết hiệu quả các vấn đề truyền thống như quá nhiều liên kết và cấu trúc phức tạp.

2.2 Hệ thống Cơ chế DS

"DS" là viết tắt của công tắc cách ly điện áp cao, cung cấp cách ly điện quan trọng. Với cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao, các đơn vị DS được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò then chốt trong thiết kế, xây dựng và vận hành các trạm biến áp và nhà máy điện.

Trong hệ thống điều khiển bằng động cơ, hệ thống cơ chế DS thường sử dụng Bộ xử lý Tín hiệu Kỹ thuật số (DSP) làm bộ điều khiển trung tâm để quản lý chức năng tổng thể của hệ thống. Hệ thống cũng bao gồm:

• Điều khiển cách ly đóng/mở;

• Phát hiện vị trí động cơ;

• Phát hiện tốc độ.

Đối với phát hiện vị trí, mạch cảm biến vị trí cung cấp tín hiệu commutate chính xác cho mạch công tắc logic. Tốc độ được đo bằng bộ mã hóa phát hiện tốc độ rotor, với tín hiệu đầu ra LED phản ánh tốc độ quay.

Phát hiện dòng điện truyền thống dựa trên các điện trở shunt, vốn chịu ảnh hưởng bởi sự trôi dạt nhiệt độ, làm giảm độ chính xác đo lường. Ngoài ra, sự cách ly điện không đủ giữa các mạch ngoại vi và mạch điều khiển có thể làm tăng xung điện áp, đe dọa an toàn của hệ thống.

Trong thiết kế mạch điều khiển sạc/xả, hệ thống BLDCM thay thế bộ lưu trữ năng lượng thông thường bằng tụ điện. Bộ tụ điện được sạc và sau đó tách khỏi nguồn điện bên ngoài, nâng cao sự an toàn và hiệu quả.

3. Cải tiến Thiết kế cho Hệ thống Điều khiển Cơ chế Điều khiển bằng Động cơ

3.1 Mạch Điều khiển Trục Xoay Mở/Đóng Cách Ly

Mạch này điều khiển dòng điện cuộn dây ba pha bằng cách quản lý các thiết bị chuyển mạch công suất và thực hiện các chiến lược hiệu quả cho quỹ đạo chuyển mạch. Nó giảm thiểu quá áp tạm thời và tổn thất chuyển mạch, đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của các thành phần.

Khi công tắc tắt, tụ điện hấp thụ dòng điện tắt qua một điôt trong quá trình sạc. Khi công tắc bật, xả xảy ra thông qua một điện trở. Các điôt hồi phục nhanh có dòng định mức vượt quá định mức của mạch chính phải được sử dụng. Để giảm thiểu cảm ứng phụ, các tụ snubber tần số cao, hiệu suất cao được khuyến nghị.

3.2 Mạch Phát hiện Vị trí Động cơ

Thiết kế này xác định chính xác vị trí cực từ của rotor, cho phép điều khiển commutation chính xác của cuộn dây stator. Ba cảm biến hiệu ứng Hall được cố định lên đĩa Hall, trong khi nam châm vĩnh cửu hình tròn mô phỏng trường từ của động cơ để tăng cường độ chính xác vị trí. Khi nam châm quay, đầu ra của các cảm biến Hall thay đổi rõ rệt, cho phép định vị điện tử chính xác của rotor.

3.3 Mạch Phát hiện Tốc độ

Một bộ mã hóa quay quang học—bao gồm các cặp LED hồng ngoại–phototransistor và đĩa cửa sổ khe hở—được sử dụng để đo tốc độ rotor. Các optocouplers được phân bố đều theo hình tròn. Đĩa cửa sổ, đặt giữa các LED và phototransistors, chứa các cửa sổ điều chỉnh truyền sáng khi nó quay. Tín hiệu đầu ra xung cho phép tính toán gia tốc và tốc độ rotor.

3.4 Mạch Phát hiện Dòng điện

Phát hiện dựa trên điện trở shunt truyền thống chịu ảnh hưởng bởi sự trôi nhiệt và độ chính xác kém. Hơn nữa, sự cách ly điện không đủ giữa mạch công suất và mạch điều khiển có nguy cơ làm hỏng các linh kiện điện nhạy cảm do các xung điện áp cao.

Để giải quyết vấn đề này, thiết kế cải tiến sử dụng cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall cách ly điện. Trong quá trình hoạt động, dòng điện xoay chiều trong cuộn dây động cơ được phát hiện, và tín hiệu đầu ra của cảm biến được xử lý bởi ampli tổng hợp. Sau khi tỷ lệ hóa, tín hiệu dòng điện cách ly an toàn được thu được.

3.5 Mạch Điều khiển Sạc/Xả Tụ Điện

Hệ thống BLDCM thay thế bộ lưu trữ năng lượng thông thường bằng giải pháp dựa trên tụ điện, cải thiện đáng kể hiệu quả và đơn giản hóa việc điều khiển sạc/xả. Một bộ xử lý tín hiệu số liên tục giám sát điện áp tụ điện và chỉ dừng sạc khi đạt đến ngưỡng hoạt động. Thiết kế này xuất sắc trong quản lý năng lượng và thu thập tín hiệu, cho phép kiểm soát mạch chính xác.

4. Kết luận

Hệ thống điều khiển cơ chế vận hành bằng động cơ cho các cầu dao điện áp cao đại diện cho một phản ứng chiến lược đối với nhu cầu điện ngày càng tăng và cam kết bảo vệ tiêu chuẩn sống hiện đại. Bằng cách giải quyết hiệu quả các hạn chế lâu dài của các cầu dao truyền thống, hệ thống này đóng vai trò then chốt trong việc thúc đẩy độ tin cậy, hiệu quả và thông minh của cơ sở hạ tầng điện.