一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構的制作方法
【專利摘要】一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，屬于高壓開關設備領域操動技術。操動機構驅動電機靠自身產生的電磁轉矩驅動凸極轉子旋轉，帶動斷路器分、合閘操作；在單相電樞繞組中施加電流，永磁體產生的磁場在電磁力的作用使凸極轉子轉動。本實用新型的驅動電機在工作角度內無需傳統(tǒng)永磁無刷直流電機的換相階段，降低了驅動電機的能耗，在高壓斷路器短時工作的工況下能顯著提高驅動電機的效率，避免電機換相的非平衡態(tài)過程，能明顯改善驅動電機短時工作下的控制效果。
【專利說明】一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于高壓開關設備領域操動技術，特別涉及高壓斷路器永磁凸極電機操動機構。
【背景技術】
[0002]高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要最復雜的設備之一，它能否正常實現快速分、合閘操作對電網安全穩(wěn)定的運行起到了決定性的作用。傳統(tǒng)斷路器操動機構構結構復雜，運動部件多，可控性和可靠性不佳。復雜的操動機構致使操動機構的響應時間長、分散性大，其結構不能完全滿足斷路器的運動特性和操作特性。隨著高壓斷路器智能化水平的提高，智能設備已從最初的斷路器外圍監(jiān)測與控制發(fā)展到狀態(tài)信號采集技術、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、操作智能化、二次控制系統(tǒng)智能化等多個方面，其中最關鍵的是斷路器的操作智能化。傳統(tǒng)操動機構不能針對給定的斷路器預期動作曲線實施準確跟蹤，亦不能全操作過程的速度可控調節(jié)，導致動態(tài)控制特性不理想，不易保證滿足現代電力系統(tǒng)對斷路器操作智能化的要求。因此有必要研究一種控制性能良好的高壓斷路器操動機構。

【發(fā)明內容】

[0003]針對現有技術存在的不足，本實用新型的目的是提供一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，以達到對加在凸極式永磁電機上電壓的控制，實現對高壓斷路器電機操動機構分合閘速度的隨動制。
[0004]本實用新型的技術方案是這樣實現的:一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，主要由驅動電機和電機控制器組成；電機控制器通過電纜線與驅動電機端部連接，光電編碼器安裝在驅動電機的端部與電機主軸固定連接并通過屏蔽通信線與電機控制器相連；驅動電機的輸出主軸通過對接法蘭盤與轉動主軸連接，三個傳動曲柄一端與傳動主軸鍵連接，實現了操動機構與斷路器本體的機械連接；
[0005]所述永磁凸極操動機構的驅動電機主要由電機定子、電機凸極轉子、電機主軸、永磁體和電樞繞組組成；電機定子與電機凸極轉子用過平鍵固定連接，永磁體粘合在電機凸極轉子上，電樞繞組為單相繞組，沿對稱分界面對稱繞置于電機定子中的開槽內；
[0006]所述的驅動電機靠自身產生的電磁轉矩驅動凸極轉子旋轉，進而帶動斷路器進行分、合閘操作；在單相電樞繞組中施加電流，永磁體產生的磁場在電磁力的作用使凸極轉子轉動；
[0007]所述的永磁體不越過驅動電機的對稱分界面，使凸極轉子在有限轉角內轉動。
[0008]所述的驅動電機的單相電樞繞組主要由啟動繞組和制動繞組組成。
[0009]電機控制器主要由電源模塊、信號采集模塊、信號調理模塊、AD轉換模塊、數據處理單元、通訊模塊、分合閘信號模塊、隔離驅動電路、升壓模塊以及IGBT模塊組成；
[0010]在所述的電機控制器內，信號采集模塊采集電機電流信號，經信號調理模塊使采集到的信號幅值穩(wěn)定在O?5V以內，經調理后的信號輸入到信號AD轉換模塊，經過AD轉換模塊后輸入到數據處理單元，數據處理單元處理根據輸入信號和電機分合閘指令，發(fā)出對應的PWM波，該PWM波經隔離驅動電路、升壓模塊傳遞給IGBT模塊，進而控制IGBT模塊的開斷，實現對電機運動的控制；分合閘信號模塊為驅動電機的分合閘動作提供控制指令，并將該指令傳遞給數據處理單元。
[0011]所述的數據處理單元還可與上位機的通訊，通過上位機實現對下位機分合閘指令的發(fā)送，也可通過上位機實現對驅動電機電流和電機速度曲線的顯示。
[0012]所述的電源模塊進一步包括直流電源模塊和驅動電機充電電容器組模塊。
[0013]本實用新型的創(chuàng)新點:
[0014](I)本實用新型提出的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構從原理上改簡化了斷路器操動機構的運動系統(tǒng)，顯著減少了操動機構零部件，改善并提高了操動機構的可靠性。采用控制性能良好的永磁凸極電機驅動斷路器，極大地提高了高壓斷路器的智能化操作水平。
[0015](2)本實用新型提出的永磁凸極驅動電機在工作角度內無需傳統(tǒng)永磁無刷直流電機的換相階段，精簡了電刷和位置信號傳感器等部件，降低了驅動電機的能耗，在高壓斷路器短時工作的工況下能顯著提高驅動電機的效率，避免電機換相的非平衡態(tài)過程能明顯改善驅動電機短時工作下的控制效果。設置了啟動繞組和制動繞組，能明顯改善驅動電機的啟動、制動性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型實施方式永磁凸極電機操動機構結構示意圖；
[0017]圖2為本實用新型實施方式永磁凸極驅動電機結構示意圖；
[0018]圖3為本實用新型實施方式電機控制器組成框圖；
[0019]圖4為本實用新型實施方式電機控制器的電源原理圖；
[0020]圖5為本實用新型實施方式的電機控制器的信號采集模塊實物接線示意圖；
[0021]圖6為本實用新型實施方式電機控制器的信號調理模塊電路原理圖；
[0022]圖7為本實用新型實施方式電機控制器的ADS8364轉換模塊的電路原理圖；
[0023]圖8為本實用新型實施方式電機控制器的5V?3.3V的電平轉換電路的電路原理圖；
[0024]圖9為本實用新型實施方式電機控制器的分合閘信號捕獲模塊電路原理圖；
[0025]圖10為本實用新型實施方式電機控制器的驅動隔離電路的電路原理圖；
[0026]圖11為本實用新型實施方式電機控制器的升壓模塊及外圍電路的電路原理圖；
[0027]圖12為本實用新型實施方式電機控制器的IGBT模塊的電路原理圖；
[0028]圖13為本實用新型實施方式電機控制器的數據處理單元核心芯片TMS320F28335電路原理圖；
[0029]圖14為本實用新型實施方式電機控制器的RS232通訊模塊的電路原理圖；
[0030]圖15為本實用新型實施方式電機控制器的RS485通訊模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步詳細的說明。[0032]本實施方式以126kV真空斷路器為例，根據滅弧室對操動機構的要求，采用的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，如圖1所示。操動機構設置在斷路器邊相位置，主要由驅動電機1，電機控制器2和光電編碼器3組成。本實施方式中采用一臺電機直接驅動傳動機構進行斷路器的三相機械聯(lián)動。
[0033]驅動電機I的輸出主軸通過對接法蘭盤4與轉動主軸5連接，三個傳動曲柄6 —端與傳動主軸5鍵連接，實現了操動機構與斷路器本體7的機械連接。永磁凸極操動機構的驅動電機I由電機定子8、電機凸極轉子9、電機主軸10、永磁體11和電樞繞組12組成。電機定子13與電機凸極轉子9用過平鍵固定連接，實現同軸旋轉。永磁體11粘合在電機凸極轉子9上。電樞繞組12為單相繞組，沿對稱分界面繞置于電機定子8中的開槽內，驅動電機I在優(yōu)先工作角度內，如圖2所示。當電樞繞組12中通過定向電流時，與永磁體11產生的磁場互相作用產生電磁轉矩，推動凸極轉子9旋轉。電樞繞組12分為啟動繞組AAp制動繞組BB1和剩余的導流繞組。在驅動電機啟動階段，在啟動繞組AA1和導流繞組中施加正向電流，驅動凸極轉子9逆時針旋轉。啟動繞組中施加的電流大于導流繞組中的電流值，額外增加啟動轉矩，減少了啟動過程時間。同時在制動繞組BB1中施加反向電流，使得當凸極轉子9在運動到制動繞組的時候收到反方向電磁轉矩的作用而產生制動，減小了因驅動電機突然停止轉動的對凸極轉子9沖擊。在驅動電機9的運動過程中，電樞繞組12中的電流方向固定，不存在換相環(huán)節(jié)。本實施方式避免了傳統(tǒng)無刷直流電機的換相過程，因而無需換相電刷和傳統(tǒng)無刷電機的位置信號傳感器，節(jié)省了電機換相階段的能量損失，在高壓斷路器短時工作的工況下能顯著提高驅動電機的效率。同時，避免電機換相的非平衡態(tài)過程能明顯改善驅動電機短時工作下的控制效果。
[0034]電機控制器2的基本組成和系統(tǒng)框圖如圖3所示。電源模塊為電機控制器內的所有部件進行供電。信號采集電路經信號調理模塊、AD轉換模塊連接數據處理單元，數據處理單元一路輸出端經過隔離驅動電路、升壓模塊連接IGBT模塊，數據處理單元的另一路輸出端連接電機位置信號捕獲模塊，數據處理單元的第三路輸出端連接分閘合閘自動重合閘捕獲模塊，數據處理單元的第四路輸出端經通訊模塊連接上位機。
[0035]電源模塊主要由直流電源模塊和驅動電機充電電容器組模塊組成。直流電源模塊包括5V、+12V、15V。5V電源為LM358、ADS8364 (AD轉換模塊)和光耦器件HCPL-63N提供工作電壓。+12V為電壓電流傳感器提供電源電壓。15V為2SC0108T2A0?A17升壓模塊提供電源電壓。3.3V為TMS320F28335(數據處理單元)的正常工作提供穩(wěn)定的電壓。該電源模塊使用AMS1117芯片，利用該芯片構成5V?3.3V的硬件電路，其原理圖如圖4所示。
[0036]信號采集模塊選用的是CHF-200B霍爾傳感器。該霍爾傳感器的實際接線圖如圖
5所示?；魻杺鞲衅饔?個引腳，第一個引腳接+12V，第二個引腳接-12V，第三個引腳是互感器信號的輸出端，該引腳接在信號調理電路的輸入端UA0，第四個引腳接地。
[0037]在進行AD轉換之前，需要對信號進行調理，確保輸入到ADS8364的信號是O?5V內，滿足該AD芯片采集的信號范圍。信號調理模塊是由LM358及外圍電路組成。其電流信號的反饋電阻R1的取值可以是1ΚΩ?3ΚΩ。根據實際情況的需要本實施方式中R1選擇的1ΚΩ。其電路原理圖如圖6所示。
[0038]AD轉換模塊是由ADS8364及其外圍硬件電路組成。該芯片的轉換有效精度達到16位，頻率高達250kHz，有效滿足采樣要求。ADS8364轉換模塊的電路原理圖如圖7所示。信號調理電路的UAO-、UAO+, UB0-、UBO+, UC0-、UCO+端連接至AD轉換模塊的CHA0-、CHAO+,CHBO-、CHBO+、CHCO-、CHCO+ 端。
[0039]ADS8364輸出的信號范圍是O?5V，而TMS320F28335處理信號的范圍是O?3.3V,故在ADS8364和TMS320F28335之間需接一個5V?3.3V的電平轉換電路。該電平轉換電路是利用LL245A來實現的，通過LL245A的第I管腳和第24管腳實現對該芯片管腳的輸入輸出方向的控制，其電路原理圖如圖8所示。LL245A的1B1、1B2、1B3、1B4、1B5、1B6、1B7、1B8、2B1、2B2、2B3、2B4、2B5、2B6、2B7、2B8 管腳連接 ADS8364 的 DO ?D15 管腳。
[0040]為了實現對電機的控制就要對電機旋轉分合閘信號進行捕獲。電機的分合閘信號捕獲采用74HC14和CC384芯片組成。分合閘信號捕獲時獲得的信號是高電平，為了確保裝置的正常工作，本實施方式采用低電平信號觸發(fā)分合閘，故分合閘信號捕獲的硬件電路需要一個反向的功能，故分合閘信號捕獲電路按照反相器的功能接線。同時鑒于74HC14輸出的高電平信號是5V，故需要通過CC384實現5V?3.3V的轉換。電機分合閘信號捕獲模塊電路原理圖如圖9所示。TMS320F28335處理器的CAP4、CAP5、CAP6管腳連接CC384的1A4、1A5UA3 的引腳，CC384 的 1B4、1B5、1B3 引腳與 74HC14 器件的 4Y、5Y、6Y 引腳相連，74HC14器件的4Α、5Α、6Α分別與分合閘自動重合按鍵相連。
[0041]當TMS320F28335捕獲到分合閘信號就會發(fā)出對應的PWM波。此時PWM波的幅值是
3.3V，根據選擇升壓模塊的要求，需要5V的PWM波，故在驅動隔離模塊中要實現3.3V?5V的轉換，同時還要實現隔離避免幅值過大信號干擾燒毀DSP，選擇74HC245做光耦的驅動和光耦器件HCPL-63N實現3.3V?5V的轉換。其原理圖如圖10所示。驅動隔離電路74HC245器件的AO?Α5管腳連接TMS320F28335的PWMO?PWM5管腳，74HC245器件的QO?Q5分別與三個 HCPL-63N 的 CATH0DE1、CATH0DE2 相連。
[0042]本實施方式的IGBT開通需要15V的電壓，故需要對PWM信號進一步升壓。升壓模塊采用的是2SC0108T2A0?17，其第一個引腳接地，第二和第三個引腳分別接PWM波的輸入，第四個引腳接15V電源，第9引腳和17引腳分別接PWM波的輸出。其原理圖如圖11所示。2SC0108T2A0?17的INA、INB管腳連接隔離電路HCPL-63N的VOU V02管腳，2SC0108T2A0?17的GATE1、GATEl管腳連接IGBT的柵極管腳。
[0043]本實施方式中的IGBT模塊選用的是由IGBT構成的三相橋驅動回路。選擇的IGBT型號是SKM600GB066D。每個模塊組成一個獨立的上下橋臂。一個SKM600GB066D由7個引腳。1、2、6分別是下橋臂的集電極、發(fā)射極和柵極，3、4、5分別是上橋臂的集電極、發(fā)射極和柵極。4、6為控制腳，接PWM波信號。3、2腳分別接到電容器組的兩端，為電機驅動提供電壓。5、7腳和4、6弓丨腳電壓差開斷IGBT。2與7，5與I共點，I腳與2腳，3腳與5腳之間接
0.1uF的吸波電容，防止IGBT被擊穿。其電路原理圖如圖12所示。
[0044]電機控制器的數據處理單元采用TI公司推出的TMS320F28335。該型號的DSP在繼承了 DSP2812的基礎上支持浮點型數據操作，大大提高了數據的處理效率和精度，使其在工業(yè)控制領域的應用得到進一步的提高。電機控制器的數據處理單元核心芯片TMS320F28335管腳說明和實際接線圖如圖13所示。
[0045]本實施方式還為電機控制器的配套研發(fā)了上位機控制頁面。為了實現上位機與下位機的通訊，也便于通過上位機觀察下位機采集到的數據，該控制裝置設置了 RS232和RS485通訊模塊。其中RS232通訊是由ΜΑΧ3232及其外圍電路組成，RS485通訊是由SP3485及其外圍電路組成。其RS232和RS485通訊模塊電路原理圖分別如圖14和圖15所示。
[0046]雖然以上描述了本實用新型的【具體實施方式】，但是本領域內的熟練的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，而不背離本實用新型的原理和實質。本實用新型的范圍僅由所附權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:主要由驅動電機(I)和電機控制器(2)組成；電機控制器(2)通過電纜線與驅動電機(I)端部連接，光電編碼器(3)安裝在驅動電機(I)的端部與電機主軸(10)固定連接并通過屏蔽通信線與電機控制器(2)相連；驅動電機(I)的輸出主軸通過對接法蘭盤(4)與轉動主軸(5)連接，三個傳動曲柄(6)一端與傳動主軸(5)鍵連接，實現了操動機構與斷路器本體(7)的機械連接； 所述永磁凸極操動機構的驅動電機(I)主要由電機定子(8)、電機凸極轉子(9)、電機主軸(10)、永磁體(11)和電樞繞組(12)組成；電機定子⑶與電機凸極轉子(9)用過平鍵固定連接，永磁體(11)粘合在電機凸極轉子(9)上，電樞繞組(12)為單相繞組，沿對稱分界面對稱繞置于電機定子(10)中的開槽內； 所述的驅動電機(I)靠自身產生的電磁轉矩驅動凸極轉子(9)旋轉，進而帶動斷路器進行分、合閘操作；在單相電樞繞組(12)中施加電流，永磁體(11)產生的磁場在電磁力的作用使凸極轉子(9)轉動。
2.根據權利要求1所述的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:所述的永磁體(11)不越過驅動電機(I)的對稱分界面，使凸極轉子(9)在有限轉角內轉動。
3.根據權利要求1所述的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:所述的驅動電機(I)的單相電樞繞組(12)主要由啟動繞組和制動繞組組成。
4.根據權利要求1所述的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:電機控制器(2)主要由電源模塊、信號采集模塊、信號調理模塊、AD轉換模塊、數據處理單元、通訊模塊、分合閘信號模塊、隔離驅動電路、升壓模塊以及IGBT模塊組成； 在所述的電機控制器內，信號采集模塊采集電機電流信號，經信號調理模塊使采集到的信號幅值穩(wěn)定在O?5V以內，經調理后的信號輸入到信號AD轉換模塊，經過AD轉換模塊后輸入到數據處理單元，數據處理單元處理根據輸入信號和電機分合閘指令，發(fā)出對應的PWM波，該PWM波經隔離驅動電路、升壓模塊傳遞給IGBT模塊，進而控制IGBT模塊的開斷，實現對電機運動的控制；分合閘信號模塊為驅動電機的分合閘動作提供控制指令，并將該指令傳遞給數據處理單元。
5.根據權利要求4所述的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:所述的數據處理單元還可與上位機的通訊，通過上位機實現對下位機分合閘指令的發(fā)送，也可通過上位機實現對驅動電機電流和電機速度曲線的顯示。
6.根據權利要求4所述的高壓斷路器永磁凸極電機操動機構，其特征在于:所述的電源模塊進一步包括直流電源模塊和驅動電機充電電容器組模塊。
【文檔編號】H02P23/00GK203674060SQ201320729002
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年11月16日 優(yōu)先權日:2013年11月16日
【發(fā)明者】林莘, 李昊旻, 史可鑒, 王飛鳴, 吳冠男, 楊艷輝, 徐建源 申請人:沈陽工業(yè)大學