一种高压断路器非对称绕组电机操动机构及方法与流程

本发明属于输变电设备技术领域，具体涉及一种高压断路器非对称绕组电机操动机构及方法。

背景技术：

高压断路器是电力系统中重要的电气设备，其分合闸操作的可靠性对电网安全运行具有重要意义。断路器的分合闸操作是由其操动机构带动动触头完成，操动机构是影响断路器工作可靠性的主要因素。断路器传统操动机构主要包括弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构和电磁操动机构，上述操动机构具有零部件多、机械机构复杂及运动过程不可控等缺点，致使断路器分合闸操作响应时间长、动作分散性大，从而无法满足现代电力系统对断路器操作智能化的要求。因此，有必要研究一种体积小、结构简单、零部件少、运动过程可控且动作可靠的断路器操动机构。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种高压断路器非对称绕组电机操动机构及方法。

本发明的技术方案：

一种高压断路器非对称绕组电机操动机构，包括驱动电机(1)、传动机构(2)和电机控制器(3)；

所述电机控制器(3)通过屏蔽信号线连接所述驱动电机(1)的一端，所述驱动电机(1)的另一端通过法兰盘(4)连接所述传动机构(2)；

所述驱动电机(1)包括电机定子(11)、电机转子(12)、电机主轴(13)和限位保持装置(14)；

所述驱动电机(1)沿径向方向由内到外依次装配电机主轴(13)、电机转子(12)和电机定子(11)；所述电机转子(12)和限位保持装置(14)均装配在所述电机主轴(13)上，所述限位保持装置(14)与所述电机主轴(13)同轴键连接，所述限位保持装置(14)设置于所述电机主轴(13)与传动主轴(22)相连接的一侧。

所述传动机构(2)包括多个传动曲柄(21)和传动主轴(22)；各传动曲柄(21)的结构相同，均包括主轴拐臂(211)、传动弹簧(212)、传动连杆(213)、三角拐臂(214)和绝缘拉杆(215)；

所述各传动曲柄(21)均匀设置于传动主轴(22)上，所述传动主轴(22)通过法兰盘(4)连接所述驱动电机(1)的电机主轴(13)，所述主轴拐臂(211)的一端通过平键连接所述传动主轴(22)，所述主轴拐臂(211)的另一端通过铰链连接所述传动弹簧(212)，所述传动连杆(213)的两端分别通过铰链连接所述传动弹簧(212)和所述三角拐臂(214)，所述绝缘拉杆(215)的下端通过螺纹固定所述三角拐臂(214)，所述绝缘拉杆(215)的上端通过螺纹连接断路器灭弧室(5)内的动触头(51)；

所述电机控制器(3)包括微处理器单元(31)、电源模块(32)、信号采集模块(33)、信号调理模块(34)、A/D转换模块(35)、隔离驱动电路(36)、升压模块(37)、IGBT模块(38)和通讯模块(39)；

所述微处理器单元(31)的输出端连接所述隔离驱动电路(36)的输入端，所述隔离驱动电路(36)的输出端连接所述升压模块(37)的输入端，所述升压模块(37)的输出端连接所述IGBT模块(38)的输入端，所述IGBT模块(38)的输出端通过屏蔽信号线连接所述驱动电机(1)的三相绕组输入端，所述信号采集模块(33)的输出端连接所述信号调理模块(34)的输入端，所述信号调理模块(34)的输出端连接所述A/D转换模块(35)的输入端，所述A/D转换模块(35)的输出端连接所述微处理器单元(31)的输入端，所述电源模块(32)的电源端连接所述微处理器单元(31)的电源端、信号采集模块(33)的电源端、信号调理模块(34)的电源端、A/D转换模块(35)的电源端、隔离驱动电路(36)的电源端、升压模块(37)的电源端、IGBT模块(38)的电源端和通讯模块(39)的电源端，所述微处理器单元(31)通过所述通讯模块(39)连接外部计算机。

可选地，所述电机定子(11)中设置有电枢绕组(111)，所述电枢绕组(111)嵌入在电机定子(11)的定子槽内，所述电机定子(11)的定子槽采用梨形槽结构。

可选地，所述电机转子(12)包括转子本体(121)和永磁体(122)，所述转子本体(121)上设置有对称结构的T型槽，所述永磁体(122)相间放置于转子本体(121)的T型槽中，相邻T型槽之间设置有非导磁间隔材料(123)。

可选地，所述电驱绕组(111)采用非对称三相绕组结构，各个永磁体磁极三相对应的定子槽个数分别为4、4、1。

可选地，所述电驱绕组(111)走线方式采用单层集中整距排布方式。

可选地，所述信号采集模块(33)包括电机转子位置传感器(331)、电枢绕组电流信号采集电路(332)和霍尔电流传感器(333)；

所述电机转子位置传感器(331)装配在所述电机主轴(13)上，与所述电机主轴(13)同轴键连接，所述电枢绕组电流信号采集电路(332)的输入端连接所述霍尔电流传感器(333)的输出端，所述霍尔电流传感器(333)设置于所述驱动电机(1)的三相绕组输入端上。

采用高压断路器非对称绕组电机操动机构进行高压断路器非对称绕组电机操动方法，包括以下步骤：

当高压断路器进行分合闸操作时，通过电机转子位置传感器检测电机转子的位置信号，通过电枢绕组电流信号采集电路采集电枢绕组电流信号，发送至电机控制器；

电机控制器根据检测到的位置信号和电枢绕组电流信号发出控制命令触发驱动电机旋转；

驱动电机旋转时，通过传动主轴带动主轴拐臂、传动弹簧、传动连杆和三角拐臂运动，驱动绝缘拉杆沿竖直方向运动；

绝缘拉杆带动断路器灭弧室内的动触头做直线运动完成断路器的分合闸操作。

本发明的有益效果：

本发明提出一种高压断路器非对称绕组电机操动机构及方法，从原理上对目前常用的断路器操动机构进行了改进，将传统操动机构中的运动驱动部件简化为唯一的部件旋转主轴，极大地减少了操动机构零部件，提高了操动机构的可靠性；采用旋转电机对断路器操动机构进行驱动，响应速度快、控制精度高；本发明根据高压断路器分合闸动作的速度特性要求，采用非对称绕组结构，使驱动电机在运动性能上与断路器的负载特性相匹配。这种结构提高了驱动电机的工作效率，减少了操动机构的机械冲击，增加了断路器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中高压断路器非对称绕组电机操动机构示意图；

图2为本发明具体实施方式中驱动电机整体结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中驱动电机剖面图；

图4为本发明具体实施方式中开有T型槽的驱动电机转子本体示意图；

图5为本发明具体实施方式中40.5kV真空断路器合闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力和断路器分闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力示意图；

其中，(a)为40.5kV真空断路器合闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力示意图；

(b)为断路器分闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力示意图；

图6为本发明具体实施方式中驱动电机电枢绕组非对称结构和传统电机绕组结构示意图；

其中，(a)为本发明具体实施方式中驱动电机电枢绕组非对称结构示意图；

(b)为传统电机绕组结构示意图；

图7为本发明具体实施方式中电机控制器的原理示意图；

图8为本发明具体实施方式中高压断路器非对称绕组电机操动方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

本实施方式以40.5kV真空断路器为例，根据灭弧室对操动机构的要求，采用一种高压断路器非对称绕组电机操动机构，如图1所示，包括驱动电机1、传动机构2和电机控制器3。

电机控制器3通过屏蔽信号线连接驱动电机1的一端，驱动电机1的另一端通过法兰盘4连接传动机构2。

如图2所示，驱动电机1包括电机定子11、电机转子12、电机主轴13和限位保持装置14。

本实施方式中，如图3所示，驱动电机1为非对称绕组永磁无刷直流电机，驱动电机1沿径向方向由内到外依次装配电机主轴13、电机转子12和电机定子11，电机转子12和限位保持装置14均装配于电机主轴13上，限位保持装置14与电机主轴13同轴键连接，限位保持装置14设置于所述电机主轴13与所述传动主轴22相连接的一侧，保证驱动电机1运动在有限转角内。

本实施方式中，电机定子11中设置有电枢绕组111，电枢绕组111嵌入在电机定子11的定子槽内，电机定子11的定子槽采用梨形槽结构，电机定子11的定子槽总个数为36个。依据断路器操动机构的负载特性，电驱绕组111采用非对称三相绕组结构，各个永磁体磁极三相对应的定子槽个数分别为4、4、1。

电驱绕组111走线方式采用单层集中整距排布方式，既能保证断路器分合闸操作动触头速度满足灭弧室要求，又能充分利用电机材料效能、减少机械碰撞、提高断路器动作可靠性和使用寿命。

本实施方式中，电机主轴14选用10号钢锻造。

本实施方式中，电机定子11由DW470型硅钢片叠压而成，

本实施方式中，电机转子12包括转子本体121和永磁体122，如图4所示，转子本体121上设置有四个对称结构的T型槽，永磁体122相间放置于转子本体121的T型槽中，相邻T型槽之间设置有非导磁间隔材料123，转子本体121的材料采用10号钢锻造。

本实施方式中，共有四块永磁体122，均采用高剩磁密度和高矫顽力的N40SH型钕铁硼材料。

本实施方式中，40.5kV真空断路器合闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力如图5(a)所示，断路器分闸操作时驱动电机主轴上等效负载反力如图5(b)所示，从图5中可以看出，断路器进行分合闸操作驱动电机转角64°，合闸过程中负载反力跳变发生在驱动电机正转转角为36°(即断路器刚合时刻)，分闸过程中负载反力跳变发生在驱动电机反转转角为28°(即断路器刚分时刻)，峰值负载反力大小为310Nm，断路器刚合前后负载反力相差较大。因此，本发明采用非对称绕组结构使驱动电机在运动性能上与断路器的负载特性相匹配。这种结构提高了驱动电机的工作效率，减少了操动机构的机械冲击，增加了断路器的使用寿命。

本实施方式中，如图6(a)所示，各个永磁体磁极A-B-C(x-y-z)三相对应的定子槽个数分别为4、4、1，如图6(b)所示，为传统驱动电机对称绕组分布，各个永磁体磁极下A-B-C(x-y-z)三相对应的槽个数为3、3、3。由图6可知，采用非对称绕组结构对应于断路器分合闸运动过程中，由于4-4-1型非对称绕组结构在不同的转角范围内的绕组导体总数目不同，使得驱动电机1在断路器分合闸过程中具有更高的启动转矩，保证动触头在刚分时刻具有较高的运动速度，在分合闸末期通过增大导体总数目降低驱动电机的平均转速，减少了操动机构的机械冲击，提高了驱动电机的工作效率。

本实施方式中，电机转子12和电机主轴13选用10号钢锻造，转子永磁体12采用N40SH型钕铁硼材料，极对数为2。

传动机构2包括多个传动曲柄21和传动主轴22；各传动曲柄21的结构相同，均包括主轴拐臂211、传动弹簧212、传动连杆213、三角拐臂214和绝缘拉杆215。

各传动曲柄21均匀设置于传动主轴22上，传动主轴22通过法兰盘4连接驱动电机1的电机主轴13，主轴拐臂211的一端通过平键连接传动主轴22，主轴拐臂211的另一端通过铰链连接传动弹簧212，传动连杆213的两端分别通过铰链连接传动弹簧212和三角拐臂214，绝缘拉杆215的下端通过螺纹固定三角拐臂214，所绝缘拉杆215的上端通过螺纹连接断路器灭弧室5内的动触头51。通过上述简单机械连接，电机主轴13旋转可直接驱动断路器灭弧室5内的动触头51做直线运动完成断路器的分合闸操作。

本实施方式中，如图7所示，电机控制器3包括微处理器单元31、电源模块32、信号采集模块33、信号调理模块34、A/D转换模块35、隔离驱动电路36、升压模块37、IGBT模块38和通讯模块39。

微处理器单元31的输出端连接隔离驱动电路36的输入端，隔离驱动电路36的输出端连接升压模块37的输入端，升压模块37的输出端连接IGBT模块38的输入端，IGBT模块38的输出端通过屏蔽信号线连接驱动电机1的三相绕组输入端，信号采集模块33的输出端连接信号调理模块34的输入端，信号调理模块34的输出端连接A/D转换模块35的输入端，A/D转换模块35的输出端连接微处理器单元31的输入端，电源模块32的电源端连接微处理器单元31的电源端、信号采集模块33的电源端、信号调理模块34的电源端、A/D转换模块35的电源端、隔离驱动电路36的电源端、升压模块37的电源端、IGBT模块38的电源端和通讯模块39的电源端，微处理器单元31通过通讯模块39连接外部计算机，实现微处理器单元31与外部计算机的双向通信。

信号采集模块33包括电机转子位置传感器331、电枢绕组电流信号采集电路332和霍尔电流传感器333。

电机转子位置传感器331装配在电机主轴13上，与电机主轴13同轴键连接，实时监测电机转子12的运动位置。电枢绕组电流信号采集电路332的输入端连接霍尔电流传感器333的输出端，霍尔电流传感器333设置于驱动电机1的三相绕组输入端。

本实施方式中，霍尔电流传感器采用的型号为CHF-400B。

本实施方式中，微处理器单元31采用运算速度快、精度高、能耗小的数字信号处理器DSP28335为中央处理器。

电源模块32输入侧接入220V交流电压源，经过交直流转换模块，输出±12V、5V、3.3V和GND供给其他模块使用。

电机转子位置传感器331由3个相隔120°电气角的霍尔传感器组成，实时监测驱动电机转子12的运动位置，

电枢绕组电流信号采集电路332由OP07C组成的运算放大电路组成，采集由霍尔电流传感器333采集到的驱动电机1三相绕组电流。

信号调理模块34采用由以OP07C为核心组成的线性运算放大电路，由信号采集模块33采集得到的信号经信号调理模块34后输入到A/D转换模块35。

A/D转换模块35采用高速、低功耗、六通道同时采样、十六位模数转换器ADS8364，更容易实现精确的驱动电机1的控制，进而实现更稳定的断路器分合闸操作。

隔离驱动电路36采用高速低功耗隔离驱动器件74HC245，对DSP28335输出的PWM波进行整定后输出到升压模块37中。

升压模块37采用高速、低功耗的中大功率IGBT驱动板TX-DA962D，能够同时实现6路PWM的升压驱动。

IGBT模块38采用额定电压1200V、额定电流600A的SKM600GB066D；经升压模块37升压后的PWM直接触发IGBT模块38的门极，控制IGBT的通断，进而达到控制驱动电机1的目的。

通讯模块39由MAX3232组成的RS-485串行通信电路组成，具有通讯距离长、通讯速率快、抗干扰能力强等优点；内部与微处理器单元31相连接、外部与计算机相连接，实现微处理器单元31与计算机的双向通信。

采用上述高压断路器非对称绕组电机操动机构进行高压断路器非对称绕组电机操动方法，如图8所述，包括以下步骤：

S1：当高压断路器进行分合闸操作时，通过电机转子位置传感器检测电机转子的位置信号，通过电枢绕组电流信号采集电路采集电枢绕组电流信号，发送至电机控制器；

S2：电机控制器根据检测到的位置信号和电枢绕组电流信号发出控制命令触发驱动电机旋转；

S3：驱动电机旋转时，通过传动主轴带动主轴拐臂、传动弹簧、传动连杆和三角拐臂运动，驱动绝缘拉杆沿竖直方向运动；

S4：绝缘拉杆带动断路器灭弧室内的动触头做直线运动完成断路器的分合闸操作。

本实施方式中，电机控制器根据检测到的位置信号和电枢绕组电流信号发出控制命令触发驱动电机旋转的具体方法为：

S21：通过信号调理模块将采集到的信号电压幅值稳定在0～5V以内，将经调理后的信号发送至A/D转换模块；

S22：A/D转换模块将调理后的信号进行模数转换发送至微处理器单元；

S23：微处理器单元根据输入信号和外部计算机发出的电机分合闸指令，发出对应的PWM波；

S24：通过隔离驱动电路和升压模块将PWM波传递给IGBT模块，控制IGBT模块的通断触发驱动电机旋转。