專利名稱：一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于輸變電設備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于高壓斷路器的旋轉(zhuǎn)伺服電機操 動機構(gòu)，適用于斷路器的智能化操作。 技術(shù)背景
斷路器的主要功能體現(xiàn)在觸頭的分/合閘，而分/合閘又是通過操動機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操 動機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。 斷路器在電網(wǎng)中起控制和保護作用，是輸變電領(lǐng)域的一種重要設備，它不但要保證斷路器長 期的動作可靠性，而且要滿足滅弧特性對操作機構(gòu)的要求。對高壓斷路器而言，要求操動機 構(gòu)既能獲得較高的分合閘速度，又能快速實現(xiàn)自動重合閘操作?，F(xiàn)有的操動機構(gòu)主要有液壓 操動機構(gòu)、彈簧操動機構(gòu)或氣動技術(shù)等，大都由一整套機械裝置構(gòu)成，零部件多，傳動機構(gòu) 復雜，制造工藝要求高，且運動過程不可控。
實用新型內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有斷路器存在的問題，本實用新型提供一種用于高壓斷路器的旋轉(zhuǎn)伺服電機操 動機構(gòu)，采用高性能數(shù)字處理器DSP的伺服控制器進行控制，通過對旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速 及轉(zhuǎn)動位置的控制，實現(xiàn)對斷路器的智能控制。
本實用新型包括旋轉(zhuǎn)電機、伺服控制器和傳動機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)電機的電機主軸通過傳動機構(gòu) 與高壓斷路器的動觸頭連接，旋轉(zhuǎn)電機通過電樞繞組以及位置傳感器和速度傳感器與伺服控 制器連接。
旋轉(zhuǎn)電機包括定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、電樞繞組、永磁體、外殼、位置傳感器和速度傳感 器以及制動保持裝置，沿徑向由內(nèi)到外依次分布為轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、電樞繞組、定子鐵 心、外殼，定子鐵心由硅鋼片疊壓而成若干個槽形結(jié)構(gòu)，在相對轉(zhuǎn)子鐵心側(cè)的槽中置有電樞 繞組，轉(zhuǎn)子鐵心上依次嵌放有極性相反的永磁體，永磁體構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電機的磁極，相鄰兩磁極 之間置有非導磁材料，電樞繞組形式采用單層集中整距；位置傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)電機定子鐵 心上，速度傳感器裝在旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子鐵心上。位置傳感器為霍爾元件，速度傳感器為編碼 器。
其中制動保持裝置，當制動器線圈通電時，線圈產(chǎn)生的磁場使銜鐵吸向磁軛，銜鐵與制 動盤脫離(釋放)，當線圈斷電時，磁通消失銜鐵被釋放，彈簧施壓與銜鐵，將制動盤上的摩
擦片壓緊，從而產(chǎn)生制動力矩，達到制動的目的，從而實現(xiàn)斷路器的分/合閘位置的保持。 本實用新型中的伺服控制器由以下幾個單元組成
(1) 電源單元——電源單元為直流電源或者蓄電池，分別連接控制單元和儲能單元，
(2) 儲能單元——電容器作為斷路器動作的儲能單元，通過電源充電；
(3) 輸入輸出單元——輸入輸出單元主要是接收分/合閘指令，包括鍵盤、顯示器以及通訊 接口，連接控制單元，實現(xiàn)分/合閘命令的輸入和旋轉(zhuǎn)電機狀態(tài)的輸出，顯示斷路器運行情況和 下載運行記錄及與計算機等設備的通訊等等；
(4) 控制單元——控制單元主要由微處理器DSP和存儲器構(gòu)成，發(fā)送操作指令及控制驅(qū)動 電路使旋轉(zhuǎn)電機進行分合閘操作，并且存有預定的行程曲線，接收傳感器發(fā)送的旋轉(zhuǎn)電機位置 信號和預定行程曲線相比較，控制旋轉(zhuǎn)電機的運動。它分別連接輸入輸出單元，旋轉(zhuǎn)電機上 的位置傳感器和速度傳感器分別與控制單元相連，將旋轉(zhuǎn)電機的位置以及速度信號傳給控制單 元，控制驅(qū)動單元向旋轉(zhuǎn)電機提供能量；當旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)了分/合閘操作后，利用控制單元控制 制動保持裝置使旋轉(zhuǎn)電機保持在分/合閘的位置。
本實用新型中伺服控制器的控制過程，按以下步驟執(zhí)行
1. 初始化；
2. 判斷斷路器處于分/合位置；
3. 等待分/合命令；
4. 調(diào)用分/合閘中斷服務過程；
5. 分/合閘過程結(jié)束；
6. 保持分/合閘狀態(tài)；
7. 結(jié)束返回等待分/合閘命令。
上述步驟4中分/合閘服務中斷子過程，按以下步驟執(zhí)行
1. 磁極位置判斷；
2. 讀取速度；
3. 比較速度；
4. 調(diào)節(jié)速度；
5. 讀取電流；
6. 調(diào)節(jié)電流；
7. 確定PWM占空比；
8. 更新PWM寄存器；
9. 判斷是否結(jié)束；
10. 返回。
本實用新型有益效果是減少了機械傳動鏈，結(jié)構(gòu)簡單可靠。伺服控制的使用可以取消傳 統(tǒng)的緩沖裝置，緩沖由旋轉(zhuǎn)電機的反向力提供，而且可以將剩余的能量返回給儲能單元?？?制規(guī)律由程序來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)電機提供的轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)軸運動以驅(qū)動斷路器的分合閘，通過檢測 斷路器的運動狀態(tài)，能夠自動調(diào)節(jié)輸出能量的大小。旋轉(zhuǎn)電機操動機構(gòu)的電子驅(qū)動系統(tǒng)依賴 電力電子器件控制動力源，保證執(zhí)行指令的時間精度可以達到微秒級，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)各 種運動控制策略，對動觸頭的運動過程進行優(yōu)化控制，有助于斷路器的熄弧，減小操作過電 壓，減小涌流提高斷路器開斷能力。減小了對結(jié)構(gòu)件的沖擊應力，保證斷路器可靠運行，便 于實現(xiàn)開關(guān)的智能化。

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是本實用新型中旋轉(zhuǎn)電機的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖3是本實用新型的伺服控制器框圖，
圖4是本實用新型旋轉(zhuǎn)電機的電氣控制原理圖，
圖5是本實用新型伺服控制器的控制流程圖，
圖6是圖5中分/合閘服務過程流程圖，
圖7是制動保持裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖8是實施例中的預設速度曲線圖中l(wèi)旋轉(zhuǎn)電機、2電機主軸、3法蘭、4傳動機構(gòu)、5觸頭彈簧、6三腳架、7動觸頭、 8靜觸頭、9滅弧室、IO永磁體、ll非導磁材料、12電樞繞組、13槽、14前端蓋、15外殼、16 轉(zhuǎn)子鐵心、17定子鐵心、18制動保持裝置、19編碼器，20顯示器、21通訊接口、 22位置傳感 器、23編碼器、24旋轉(zhuǎn)電機、25電流傳感器、26電源。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述如圖1所示，本實用新型包括旋轉(zhuǎn)電機
1、伺服控制器和傳動機構(gòu)4，其中傳動機構(gòu)4為四連桿，旋轉(zhuǎn)電機的電機主軸2通過傳動機 構(gòu)4與高壓斷路器的動觸頭7連接，旋轉(zhuǎn)電機通過電樞繞組12以及位置傳感器和速度傳感器 與伺服控制器連接。 旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括永磁體IO、電樞繞組12、電機主軸2、外殼15、轉(zhuǎn)子鐵 心16、定子鐵心17、編碼器19，沿徑向由內(nèi)到外依次分布為電機主軸2、轉(zhuǎn)子鐵心16、 永磁體IO、電樞繞組12、定子鐵心17、外殼15，其中定子鐵心17由硅鋼片疊壓而成若干個 槽形結(jié)構(gòu)，在相對轉(zhuǎn)子鐵心16側(cè)的槽中置有電樞繞組12，轉(zhuǎn)子鐵心16上嵌放有極性相反的 永磁體IO，永磁體IO構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電機的磁極，沿軸向相鄰兩磁極之間置有非導磁材料11，電 樞繞組12在槽13中按單層集中整距繞組的形式；位置傳感器裝在定子鐵心上，速度傳感器 裝在旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子鐵心上。在電樞繞組12中通入電流，電流在永磁體產(chǎn)生的磁場中受到安 培力的作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩從而推動旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子鐵心16的轉(zhuǎn)動，不同磁極下的繞組通入方向相反 的電流，使得同一時刻所產(chǎn)生的推力最大。
本實用新型中的伺服控制器，如圖3、圖4所示，包括電源單元、儲能單元、輸入輸出 單元、控制單元及驅(qū)動單元，電源單元為電源或者蓄電池，其分別連接控制單元和儲能單元， 為控制器供電以及為儲能單元輸送能量；電容器作為斷路器動作的儲能單元，通過電源充電， 通過驅(qū)動單元將能量輸送給旋轉(zhuǎn)電機；輸入輸出單元包括鍵盤、顯示器以及通訊接口，連接 控制單元，實現(xiàn)分合閘命令的輸入和旋轉(zhuǎn)電機狀態(tài)的輸出，顯示以及與計算機等設備的通訊； 控制單元主要由微處理器DSP構(gòu)成，驅(qū)動單元由功率管及IPM驅(qū)動模塊IR2130組成，功率 管有兩個IGBT和二極管組成的單橋臂驅(qū)動電路構(gòu)成，驅(qū)動單元分別與控制單元、儲能單元 和旋轉(zhuǎn)電機相連；電流傳感器安裝在IPM與儲能電容相連的導線上，監(jiān)測電流的大?。槐纠?中的控制單元采用TMS320x2407型號的芯片，分別連接輸入輸出單元、驅(qū)動單元以及旋轉(zhuǎn)電 機和電流傳感器，接收旋轉(zhuǎn)電機和電流傳感器的反饋信號，控制芯片的IOPB4和IOPB5與鍵 盤相連，接收分/合閘命令；IOPE1-IOPE6與顯示器相連，將斷路器的狀態(tài)輸出到顯示器；IOPA0 和IOPA1和通訊接口相連，實現(xiàn)與外部設備的通訊；PWM1、PWM2 口分別與IR2130的HIN1 和LIN1相連并通過IR2130的H01和LOl，分別與兩個IGBT電路連接，控制IPM的兩個功 率管IGBT1、 IGBT2的通斷，IGBT1、 IGBT2同一時刻只有一個導通，向旋轉(zhuǎn)電機輸送能量 從而控制旋轉(zhuǎn)電機的正反轉(zhuǎn)；CAP1、 CAP2、 CAP3與旋轉(zhuǎn)電機上的位置傳感器相連，接收 旋轉(zhuǎn)電機的位置反饋信號，根據(jù)位置狀態(tài)的不同，把得到的位置信號轉(zhuǎn)變成電壓信號與輸入
的電壓進行比較，通過控制輸入電壓的大小從而控制旋轉(zhuǎn)電機電樞電流的大??；QEP3、QEP4、 CAP6接收旋轉(zhuǎn)電機速度傳感器的信號，與圖8所示的預設速度曲線相比較，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)電機 的運行速度；VINO 口與電流傳感器相連，接收電流的反饋信號實現(xiàn)電流的監(jiān)測；旋轉(zhuǎn)電機上 裝有位置傳感器和編碼器，將旋轉(zhuǎn)電機的位置以及速度信號傳給控制單元。
對于制動保持裝置，當制動器線圈30通電時，線圈產(chǎn)生的磁場使銜鐵28吸向磁軛29,銜 鐵28與制動盤27脫離(釋放)，當線圈5斷電時，磁通消失銜鐵28被釋放，彈簧31施壓與銜鐵28， 將制動盤27上的摩擦片壓緊，從而產(chǎn)生制動力矩，達到制動的目的，從而實現(xiàn)斷路器的分/合 閘位置的保持。
本實用新型中伺服控制器的控制過程，如圖5所示，按以下步驟執(zhí)行
1. 初始化；
2. 判斷斷路器處于分/合位置；
3. 等待分/合命令；
4. 調(diào)用分/合閘中斷服務過程；
5. 分/合閘過程結(jié)束；
6. 保持分/合閘狀態(tài)；
7. 結(jié)束返回等待分/合閘命令。
上述步驟4分/合閘服務中斷服務過程，如圖6所示，按以下步驟執(zhí)行
1. 判斷磁極位置；
檢測位置傳感器信號，把得到的位置信號變換成電壓信號與輸入電壓進行比較，調(diào)整旋 轉(zhuǎn)電機輸入電壓的大??；
2. 讀取速度；
讀取預設速度曲線給定的速度值Z以及速度傳感器反饋回來的旋轉(zhuǎn)電機實際速度值V;
3. 比較速度；
將速度傳感器測得的實際速度與給定的速度值相比較，將其差值作為速度調(diào)節(jié)的給定 誤差，Av二V'-V;
4. 調(diào)節(jié)速度；
由給定的速度誤差確定電流的誤差值A(chǔ)/《一電流調(diào)節(jié)系數(shù)；
5. 讀取電流；
讀取電流傳感器反饋回來的電流值/; 6.調(diào)節(jié)電流；
將電流傳感器測得的實際電流值與電流誤差值相加，確定電流調(diào)節(jié)的給定值， /* = A/ + / ; 7.判斷是否結(jié)束； 8.返回。
權(quán)利要求1、一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)，其特征在于該操動機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)電機、伺服控制器和傳動機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)電機的電機主軸通過傳動機構(gòu)與高壓斷路器的動觸頭連接，旋轉(zhuǎn)電機通過電樞繞組以及位置傳感器和速度傳感器與伺服控制器連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)，其特征在于所述的旋 轉(zhuǎn)伺服電機包括定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、位置傳感器和速度傳感器以及制動保持裝置，沿徑向由內(nèi)到外依次分布為轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、電樞繞組、定子鐵心、外殼，定子鐵心由 硅鋼片疊壓而成若干個槽形結(jié)構(gòu)，在相對轉(zhuǎn)子鐵心側(cè)的槽中置有電樞繞組，轉(zhuǎn)子鐵心上嵌放 有極性相反的永磁體，永磁體構(gòu)成旋轉(zhuǎn)電機的磁極，相鄰兩磁極之間置有非導磁材料，電樞 繞組采用的是單層集中整距；位置傳感器安裝在旋轉(zhuǎn)電機的定子鐵心上，速度傳感器和制動 保持裝置裝在旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子鐵心上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)，其特征在于所述的位 置傳感器為霍爾元件，速度傳感器為編碼器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)，其特征在于所述的伺 服控制器由以下幾個單元組成(1) 電源單元——電源單元為直流電源或者蓄電池，分別連接控制單元和儲能單元，(2) 儲能單元——電容器作為斷路器動作的儲能單元，通過電源充電；(3) 輸入輸出單元——輸入輸出單元主要是接收分/合閘指令，包括鍵盤、顯示器以及通訊 接口，連接控制單元，實現(xiàn)分/合閘命令的輸入和旋轉(zhuǎn)電機狀態(tài)的輸出，顯示斷路器運行情況和 下載運行記錄及與計算機的通訊；(4) 控制單元一控制單元由微處理器DSP和存儲器構(gòu)成，發(fā)送操作指令及控制驅(qū)動電路 使旋轉(zhuǎn)電機進行分合閘操作，并且存有預定的行程曲線，接收傳感器發(fā)送的旋轉(zhuǎn)電機位置信號 和預定行程曲線相比較，控制旋轉(zhuǎn)電機的運動，它分別連接輸入輸出單元，旋轉(zhuǎn)電機上的位 置傳感器和速度傳感器分別與控制單元相連，將旋轉(zhuǎn)電機的位置以及速度信號傳給控制單元， 控制單元向旋轉(zhuǎn)電機提供能量；當旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)了分/合閘操作后，利用控制單元控制制動保持裝置使旋轉(zhuǎn)電機保持在分/合閘的位置。
專利摘要一種高壓斷路器旋轉(zhuǎn)伺服電機操動機構(gòu)，屬于輸變電設備技術(shù)領(lǐng)域，包括旋轉(zhuǎn)電機、伺服控制器和傳動機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)電機的電機主軸通過傳動機構(gòu)與高壓斷路器的動觸頭連接，旋轉(zhuǎn)電機通過電樞繞組以及位置傳感器和速度傳感器與伺服控制器連接。旋轉(zhuǎn)電機包括定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、電樞繞組、永磁體、外殼、位置和速度傳感器以及制動保持裝置。線圈產(chǎn)生的磁場使銜鐵吸向磁軛，銜鐵與制動盤脫離(釋放)，當線圈斷電時，磁通消失銜鐵被釋放，彈簧施壓與銜鐵，將制動盤上的摩擦片壓緊，從而實現(xiàn)斷路器的分/合閘位置的保持。本實用新型的有益效果是減少了機械傳動鏈，伺服控制的使用可以取消傳統(tǒng)的緩沖裝置，而且可以將剩余的能量返回給儲能單元。
文檔編號H02K41/03GK201188391SQ20082001143
公開日2009年1月28日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者徐建源, 李永祥, 莘 林, 馬躍乾 申請人:沈陽工業(yè)大學