基于电机操动机构与功率二极管的混合式高压开关的研究

发布时间：2016-06-08 06:42

1  绪论

1.1  课题研究背景及意义
随着电力行业“十二五”规划转型升级提出的新要求，使智能电网的建设成为电网发展新任务。在加大电网现代化体系建设，扩大并适应大规模跨区域输电，完善区域主干网络等的基础上，根据控制、储能和信息传输的先进技术，推进智能电网发展，提高电能利用率，增强电网容量、供电可靠性的优化配置。电力行业的发展使电网的智能化配置成为近年研究热点。高压开关作为电力系统中必不可少的机械部件，研究它的智能化也是必要的。 提高电网系统利用率、减少电路网络损耗是电力系统中永恒不变的主题。为达到减少电力输送损耗、改善电能输送容量和质量、提高系统功率因数的目的，，电网必须采用无功补偿装置进行无功功率补偿。众所周知，接入电网的现代用电负荷大都属于感性负载，自然功率因数低，它会影响发电机输出功率，减少有功功率输出；影响电网供电能力，降低有功功率容量，增加电能损耗等。所谓无功补偿是增加电网中的容性负载来平衡感性负载从而达到改善的目的。电网中大多用电设备的正常运行不仅需要消耗一定的有功功率还需要部分无功功率用于电路内电场和磁场的转换，建立和维持磁场。无功功率在电网中远距离大量传输会增加电网的电压损耗，使用户端的电压过低。为了解决这个问题，电网中的无功补偿通常遵循“全面规划、合理布局、分级补偿、就地平衡”的原则。无功补偿装置多种多样，电容器组作为无功补偿装置的一种，具有结构简单，安装维护方便，有功损耗小，投资成本低等优点，因此普遍应用于6 ~ 35kV 中压系统和工业用电系统的无功补偿中[1~2]。研究出一种新型高压开关以减小电容器组投切时产生的暂态问题是必要的。同时，为适应国家智能电网发展的需要，构建合理的操动机构与高压开关系统，使之不仅能准确、快速、可靠的完成高压开关的分合操作而且能实现高压电力设备的可控性和智能化。高压电力设备中的高压开关工作的可靠性直接影响电力系统运行时供电质量和供电可靠性，它的智能化也直接影响着电力系统的智能化，智能电网的提出对输配电系统中重要的开关电器——断路器、高压开关的质量和性能也提出了更高的要求。操动机构作为开关操作的执行单元决定着开关电器的正常开断，研究高性能的操动机构不仅是顺应行业研究热潮同时也为电网的智能化发展奠定了基础。传统操动机构如弹簧、气动、液压操动机构，在机械方面存在较多的运动环节，使得故障几率高，分散性大，控制性能低。为了克服传统操动机构的局限性,  提高开关电器的操作性能,  有必要进行高压开关操动机构新技术的开发。
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1.2  国内外研究概况
针对本课题中的研究问题，在6 ~ 35kV 中压系统中通常采用真空开关来投切电容器组，它在将电容器组投入电网和从电网切除时会引起浪涌电流和操作过电压。这些电流、电压比额定值高出几到十几倍，对电力系统一次设备带来很大危害。为解决这些问题，晶闸管投切电容器组(thyristor switch capacitor, TSC)、串联电抗器、晶闸管和磁保持继电器并联、零点投切等技术手段应运而生。TSC  技术虽然能解决上述问题，但它具有成本高、体积大、晶闸管损耗大、可靠性较低等缺点，通常适用于具有快速冲击性负载性质的重要应用领域，而不适宜在中压供配电领域大规模应用[3]。其他几种技术虽然能减小投入时引起的合闸涌流，但却恶化了切除时引起的暂态过电压问题[4~6]。为减小过电压，有学者提出采用改进式晶闸管串联调压电容无功补偿装置[7]，但其结构复杂、控制算法复杂。针对这些问题还有专家学者采用真空开关和采用晶闸管阀并联构成的中压固态复合开关实现无功补偿电容器组的投切，采用该原理的固态开关具有成本高、晶闸管阀门极驱动电源和控制触发复杂的不足之处。上述技术各有各的优缺点，在不同的应用场合采用不同的技术。结合已有的技术提出一种新的思路，既能减小电容器组投切时的涌流和操作过电压又具有控制简单，成本低的优点。 顺应国家智能电网规划的新要求，国内外对高压电力装备智能化的关注越来越多，由此对高压开关的关注也越来越多。高压开关的智能化关键在于操动机构的智能化。本文除了电容器组投切开关原理的研究，还研究了控制高压开关动作的操动机构。结合电机操动机构自身的优缺点，它作为新型操动机构被广泛研究。目前常用操动机构主要有：手动操动机构、电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构、液压操动机构等，这些机构都相对成熟，它们结构不同，各有各的优缺点，适用范围也不同。随着电力行业的不断发展，为满足高压电力设备智能化的发展要求，需完善现有产品并不断开发新型操动机构，使其具有可靠性高、反应速度快、故障率低、结构简单、操作方便的特点，因此具有这些特点的永磁机构以及电机操动机成为近年来的研究热点。电机操动机构作为一种新型的操动机构应运而生，它无需任何机械能而通过电机产生的力或转矩就可使高压开关触头实现分合闸操作，配以保持装置使其保持在关闭、断开位置，再通过外部控制电路从而实现对电机的智能控制[8]。近年来，国内沈阳工业大学对于电机操动机构主要研究了40.5kV 真空断路器的永磁直线直流电机的操动机构和旋转电机操动机构[9]；清华大学与平高股份合作研究的用于126kV 真空断路器的旋转电机操动机构；东南大学、大连理工大学、华中科技大学、华北电力大学等对新型操动机构也有相关研究。国外主要有 ABB 公司和阿尔斯通公司，对于智能化开关设备，他们研究了电机驱动的断路器操动机构、功率二极管的混合式免暂态高压开关、弹簧和电机混合驱动的操动机构等。电机操动机构随着电力系统的智能化发展，高压开关设备的智能化和操动机构的智能化将是未来研究方向的重点。 
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2  功率二极管混合式高压开关 

2.1  开关结构及工作原理 
本文中提出的基于功率二极管的混合式高压开关主要应用于电容器组的投切操作。众所周知，在电力系统的运行中，为了改善用户电能质量、提高系统功率因数和减少输配电线路损耗，电力系统中常采用分布式无功补偿。其中，电容器组作为常用的无功补偿装置被广泛应用于6-35kV中压系统和工业用电系统中。但在投切电容器组的过程中可能会产生涌流和过电压等问题，对电力系统一次设备带来很大危害。针对这些问题并在考虑经济性、可靠性的基础上，本文提出基于功率二极管和电机操动的机械开关并联组成的混合式高压开关，既可以减少电容器组投切时产生的暂态过电压和涌流又能实现开关的智能化控制。因为功率二极管具有单向导电性，两端电压正向偏置时，二极管导通其通态压降很低一般为1V左右；两端电压反向偏置且低于击穿电压前，二极管处于截止状态相当于一个大电阻，而高压机械开关具有导通电阻小、绝缘性能高的优点。为了使混合式高压开关系统实现免暂态投切电容器组，其工作过程需要包含两个电流转移，即电容器组切除时，高压开关中的电流转移至功率二极管，而电容器组投入时，电流从功率二极管转移至高压机械开关[10~11]。
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2.2  开关分合闸操作电流转移机理 
在6 ~ 35kV 电力系统中，当开关切除电容器组时产生的电弧电压如图2.4所示。从图中可以看出，在电流过零点处将产生几十伏的电弧电压，这个电弧电压足够功率二极管导通。从图2.6可以看出，功率二极管伏安特性的正向开始部分，由于二极管的正向偏置电压很小，此时外电场比 PN 结的内电场小，使得功率二极管的正向电流几乎为零，二极管对外呈现大电阻状态。随着二极管正向电压逐渐增加，上升到一定值时，它的正向电流才开始明显增大，此时二极管开始导通。伏安特性中正向电流明显增加时所对应的正向电压thV 称为功率二极管的门槛电压。二极管导通后，它的正向电流FI 与正向电压V按指数规律上升[16]。由上述分析可知，功率二极管要导通，就应满足两端所加的正向偏置电压大于其门槛电压，即thV ? V。在功率二极管混合式高压开关中，为实现电容器组投切时电弧电流的转移，则要求机械开关断口间产生的电弧电压必须大于功率二极管的门槛电压。从图2.4和图2.6可以看出，在6 ~ 35kV 的电力系统中，高压开关投切时产生的电弧电压可以达到几十伏，这个电压足够让开关断口间的功率二极管导通，从而实现电流在断口与二极管间的转移。 
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3  混合式高压开关的电机操动机构 ...... 21 
3.1   永磁同步电机结构与数学模型 ...... 22 
3.1.1   永磁同步电动机的基本结构 ...... 22 
3.1.2  永磁同步电机数学模型 ......... 22 
3.2   永磁同步电机伺服控制策略研究 ......... 27 
3.2.1   矢量控制技术 ......... 27 
3.2.2   直接转矩控制技术 ........ 32 
3.3   控制方案的确定及建模仿真 .......... 35 
3.3.1   伺服控制方案的确定 .... 35 
3.3.2  模糊 PID 控制 .......... 37 
3.3.3 MATLAB 建模仿真及结果分析 .......... 39
4  交流伺服控制系统软件设计 ....... 43 
4.1   系统软件总体结构 ..... 43 
4.2   软件程序设计 ...... 44 
4.2.1   电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM） .... 44 
4.2.2   QEP 接口模块 ........ 50 
4.2.3  三环控制模块 .... 52 
5  实验平台构建及分析 ..... 56  

5  实验平台构建及分析

在完成了前几章的理论分析、建模仿真和软件设计后，将各个模块组合起来，完成整个系统的连接，建立实验平台。在该系统中主要模块和工具： （1）实现信号放大、整流及逆变功能的智能功率模块（IPM） （2）DSP(TMS320F2812)的控制板 （3）内置光电编码器的永磁同步电机 （4）功率二极管混合式高压开关 （5）示波器、直流电源、仿真器等 智能功率模块选用的是上海嘉尚电子科技有限公司的 DR 系列。其功率模块实物图如图 5.1 所示。智能功率模块作为中间环节，主要作用是将 DSP 控制板输出的 PWM 脉冲信号用来控制逆变器桥中 IGBT 的开断，从而调整输出电流大小，控制电动机转速，使其跟踪位置参考曲线运动。本实验所采用的功率模块技术参数如表 5.1 所示。 永磁同步电机作为伺服控制系统中的执行单元和高压开关动作的操作机构，要求响应速度快且能迅速完成开关的分合闸操作，即应考虑选用转动惯量较小而转矩相对较大的电动机。综合各方面考虑，在本实验中选用安川电机有限公司生产的旋转型 GV 系列电机，其型号为 SGMGV-30ADC61，实物图如图 5.2 所示。 

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结论

本文从新型电容器投切开关的研究出发，对功率二极管混合式高压开关和电机操动机构伺服控制系统进行了深入研究，在新型电容投切开关的工作原理、结构、运行以及永磁同步电机矢量控制、直接转矩控制、伺服控制系统软件设计等方面均做了大量研究工作。 
（1）本文提供和验证了一种新型的电容器投切开关（功率二极管混合式高压开关），它是应用功率二极管和多断口高压开关相并联组成的，利用功率二极管的单向导通性和静态特性，它能有效减小电容器组投入电网时产生的浪涌电流和切除时产生的操作过电压。 
（2）采用一个旋转电机作为三相开关的操动机构，它利用不同的机械距离来补偿三相对称系统之间的相位差，思想新颖。将电机操动机构应用到电容投切开关中，不仅简化了操动机构的结构，提高了高压开关的可靠性，还减小了机械故障率，降低了经济成本。 
（3）采用交流伺服系统控制高压开关动作，建立永磁同步电机 0di矢量控制模型，采用三环控制跟踪电动机参考轨迹，使电机控制混合式高压开关的投切，达到实时免暂态的进行电网的无功补偿。 
（4）采用数字化高速处理器（DSP—TMS320F2812）作为软件系统，将位置采集模块得到的电机转子位置信息输入到处理器，经过一系列的数据处理后输出 6 路脉冲信号控制逆变器模块，从而控制电动机的转速，以达到功率二极管混合式开关分合闸操作时动触头的实际位置曲线能跟踪参考轨迹的目的。高速处理器的应用使计算速度更快，控制性能更高。
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参考文献(略) 

本文编号：54533