专利名称：基于无刷直流电机的刀闸控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与电网中的刀闸相配合的基于无刷直流电机的刀闸控制装置。
技术背景
刀闸作为变电站重要的设备，在电网中起着重要的电气作用。然而目前各电力公司所辖变电站的刀闸都采用交流电机作为执行机构，而且多数没有调速装置。这样，由于其操作的频繁性，刀闸的机械结构容易被损坏，而且容易发生拉弧现象。因此目前的“上电转、 断电停”的无调速装置的刀闸执行机构显然是不能满足调速要求的。
考虑到刀闸执行结构对调速性能的要求，应用直流电机作为执行机构更为合适， 因为直流电机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点。但是直流电机的电刷和换向器却成为阻碍它发展的障碍，机械电刷和换向器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题。交流电机虽然没有碳刷及整流子，且免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到与直流电机相当的性能须用复杂控制技术才能做到，成本也比较高，从实际角度考虑并不适宜。
无刷直流电机利用电子换向器取代机械电刷和机械换向器，因此使这种电机不仅留下了直流电机的优点，而且又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点.因此将其应用在刀间的电动执行器装置上应该是刀间控制装置的一个创新，实际上也是可行的。发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、运行可靠、维护方便且可以实现速度可调的基于无刷直流电机的刀闸控制装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于无刷直流电机的刀闸控制装置，设置于电网中用于控制刀闸的开合，所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置包括与所述的刀闸相连接并带动所述的刀闸转动以实现开合的无刷直流电机、驱动所述的无刷直流电机变速运转的驱动系统；所述的驱动系统包括与交流电源相连接并将输入交流信号整流为直流信号的整流器、 集成驱动单元、控制单元、与所述的控制单元相电连接并检测所述的无刷直流电机的输入电流的电流测量单元、与所述的控制单元相电连接并检测所述的无刷直流电机的转子相位的相位测量单元、连接在所述的电源与所述的集成驱动单元之间并为所述的集成驱动单元提供电源的开关电源单元；所述的控制单元包括产生电流驱动信号的电流捕获模块、产生相位驱动信号的相位捕获模块、产生控制信号的输出模块；所述的电流捕获模块的输入端与所述的电流测量单元的输出端相连接，所述的电流捕获模块的输出端与所述的输出模块相连接；所述的相位捕获模块的输入端与所述的相位测量单元的输出端相连接，所述的相位捕获模块的输出端与所述的输出模块相连接；所述的输出模块根据所述的电流驱动信号和所述的相位驱动信号产生控制信号并输出；所述的集成驱动单元具有电流输入端和控制信号输入端，所述的电流输入端与所述的整流器的输出端相连接，所述的控制信号输入端与所述的控制模块的输出端相连接，所述的集成驱动单元的输出端与所述的无刷直流电机相连接，所述的集成驱动单元在所述的控制信号的驱动下将由其电流输入端输入的直流信号转变为交流脉冲并驱动所述的无刷直流电机变速运转。
优选的，所述的电流测量单元包括与所述的整流器的输出端相连接的电流传感器、与所述的电流传感器的输出端相连接并产生电流信号输出至所述的电流捕获模块的电流检测模块、与所述的电源相连接并产生电压信号输出至所述的电流捕获模块的电压检测模块。
优选的，所述的电压检测模块与所述的开关电源单元相连接。
优选的，所述的电流传感器为霍尔电流传感器。
优选的，所述的相位测量单元包括设置于所述的无刷直流电机的转子外围的相位传感器。
优选的，所述的相位传感器为霍尔相位传感器。
优选的，所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置还包括故障检测单元，所述的控制单元还包括故障中断模块，所述的故障中断模块的输入端与所述的故障检测单元相连接，所述的故障中断模块的输出端与所述的输出模块相连接；当所述的故障检测单元检测到故障状态并产生故障信号传输至所述的故障中断模块时，所述的故障中断模块产生中断信号并传输至所述的输出模块。
优选的，所述的故障检测单元包括产生过温信号的温度检测模块、输入端与所述的电流测量单元相连接的并产生欠压信号或过压信号的电压调理模块、输入端与所述的电流测量单元的相连接并产生过流信号的电流调理模块。
优选的，所述的刀闸具有闭合极限位置、打开极限位置、介于所述的闭合极限位置和所述的打开极限位置之间的中间位置，当所述的刀闸处于所述的中间位置时，所述的刀闸具有间隙；当所述的刀闸位于处于所述的闭合极限位置和所述的中间位置之间时，所述的无刷直流电机带动所述的刀闸高速运转；当所述的刀闸处于所述的中间位置和所述的打开极限位置之间时，所述的无刷直流电机带动所述的刀闸低速运转。
本发明工作原理是交流电源输入驱动系统后经所述的整流器变成直流信号，再经过由所述的控制单元控制的所述的集成驱动单元变换为交流脉冲，以驱动所述的无刷直流电机；所述的电流测量单元和所述的相位测量单元检测所述的无刷直流电机的电流信号和相位信号并传输至控制单元产生相应的控制信号，所述的集成驱动单元根据该控制信号产生不同的交流脉冲以驱动所述的无刷直流电机实现变速运转。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1、由于本发明采用无刷直流电机，无需复杂的控制技术，可以带动刀闸实现变速转动， 且具有较优的机械性能、宽的调速范围、大的起动转矩，驱动系统结构简单，使该基于无刷直流电机的刀间控制装置运行可靠、维护方便、成本较低；2、由于刀闸可实现变速转动，可以避免发生拉弧现象，降低刀闸机械结构的损伤；3、采用无刷直流电机驱动刀闸可以降低现场噪声，使现场环境更为柔和。
附图1为本发明的基于无刷直流电机的刀闸控制装置的原理图。附图2为本发明的基于无刷直流电机的刀闸控制装置在控制刀闸拉开时无刷直流电机的速度曲线。附图3为为本发明的基于无刷直流电机的刀闸控制装置在控制刀闸闭合时无刷直流电机的速度曲线。以上附图中1、无刷直流电机；11、转子；2、整流器；3、集成驱动单元；4、控制单元；41、故障中断模块；42、电流捕获模块；43、相位捕获模块；44、输出模块；51、霍尔电流传感器、52、电流检测模块；53、电压检测模块；61、霍尔相位传感器；7、开关电源单元；81、温度检测模块；82、电压调理模块、83、电流调理模块；9、隔离变换电路。
具体实施例方式下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。实施例一参见附图1所示。一种基于无刷直流电机的刀闸控制装置，设置于电网中用于控制刀闸的开合。该基于无刷直流电机的刀闸控制装置包括与刀闸相连接并带动刀闸转动以实现开合的无刷直流电机1、驱动无刷直流电机1变速运转的驱动系统。驱动系统包括与交流电源相连接并将输入交流信号整流为直流信号的整流器2、 集成驱动单元3、控制单元4、与控制单元4相电连接并检测无刷直流电机1的输入电流的电流测量单元、与控制单元4相电连接并检测无刷直流电机1的转子11相位的相位测量单元、连接在电源与集成驱动单元3之间并为集成驱动单元3提供电源的开关电源单元7、故障检测单元。控制单元4包括产生电流驱动信号的电流捕获模块42、产生相位驱动信号的相位捕获模块43、产生控制信号的输出模块44、输入端与故障检测单元相连接且输出端与输出模块44相连接的故障中断模块41。电流捕获模块42的输入端与电流测量单元的输出端相连接，电流捕获模块42的输出端与输出模块44相连接。相位捕获模块43的输入端与相位测量单元的输出端相连接，相位捕获模块43的输出端与输出模块44相连接。输出模块44 与隔离变换电路9相连接，输出模块44根据电流驱动信号和相位驱动信号产生控制信号并输出。集成驱动单元3具有电流输入端和控制信号输入端，电流输入端与整流器2的输出端相连接，控制信号输入端与隔离变换电路9的输出端相连接，集成驱动单元的输出端与无刷直流电机1相连接，集成驱动单元3在控制信号的驱动下将由其电流输入端输入的直流信号转变为交流脉冲并驱动无刷直流电机1变速运转。电流测量单元包括与整流器2的输出端相连接的霍尔电流传感器51、与电流传感器的输出端相连接并产生电流信号输出至电流捕获模块42的电流检测模块52、与电源经开关电源单元7相连接并产生电压信号输出至电流捕获模块42的电压检测模块53。相位测量单元包括设置于无刷直流电机1的转子11外围的霍尔相位传感器61。
交流电源输入驱动系统后经整流器2变成直流信号，再经过由控制单元4控制的集成驱动单元3变换为交流脉冲，以驱动无刷直流电机1 ；电流测量单元和相位测量单元检测无刷直流电机1的电流信号和相位信号并传输至控制单元4产生相应的控制信号，集成驱动单元3根据该控制信号产生不同的交流脉冲以驱动无刷直流电机1按附图2或附图3 中的速度曲线实现变速运转。刀闸具有闭合极限位置、打开极限位置、介于闭合极限位置和打开极限位置之间的中间位置，当刀闸处于中间位置时，刀闸具有一定的间隙。参见附图2所示，当刀闸拉开时，刀闸由闭合极限位置经中间位置运动至打开极限位置。在执行拉开操作时，为避免拉弧现象，刚开始时，无刷直流电机1在保证机械结构安全的前提下以高速度、高转矩运转，使刀闸迅速由闭合极限位置运动至中间位置，即迅速使刀闸产生明显的间隙；然后考虑到保护机械结构，将无刷直流电机1的转速减到一定低速后勻速运转，当刀闸即将运动至打开极限位置时，无刷直流电机1减速运转，刀闸运动至打开极限位置时，无刷直流电机1的转速正好降为0。参见附图3所示，当刀闸闭合时，刀闸有打开极限位置经中间位置运动至闭合极限位置。在实行闭合操作时，为了保护机械机构，无刷直流电机1的转速由0开始慢慢提速， 到达一定低速后保持勻速运转，使刀闸的位置慢慢变化；当刀闸到达中间位置时，即即将到达闭合极限位置时，为避免拉弧现象，无刷直流电机1快速加速至高转速运动，直至刀闸到达闭合极限位置；刀闸闭合后，无刷直流电机1迅速停转。故障检测单元包括产生过温信号的温度检测模块81、输入端与电流测量单元相连接的并产生欠压信号或过压信号的电压调理模块82、输入端与电流测量单元的相连接并产生过流信号的电流调理模块83。温度检测模块81中设定有温度设定值，电压调理模块82 中设定有电压设定值，电流调理模块83中设定有电流设定值。温度检测模块81、电压调理模块82、电流调理模块83将输入值与其中各设定值进行比较，当故障检测单元检测到故障状态(过温、过压、欠压、过流)并产生相应的故障信号(过温信号、过压信号、欠压信号、过流信号)传输至故障中断模块41时，故障中断模块41产生中断信号并传输至输出模块44，来控制无刷直流电机1的运转，使本装置的运行更为安全、可靠。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于无刷直流电机的刀闸控制装置，设置于电网中用于控制刀闸的开合，其特征在于所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置包括与所述的刀闸相连接并带动所述的刀闸转动以实现开合的无刷直流电机、驱动所述的无刷直流电机变速运转的驱动系统；所述的驱动系统包括与交流电源相连接并将输入交流信号整流为直流信号的整流器、 集成驱动单元、控制单元、与所述的控制单元相电连接并检测所述的无刷直流电机的输入电流的电流测量单元、与所述的控制单元相电连接并检测所述的无刷直流电机的转子相位的相位测量单元、连接在所述的电源与所述的集成驱动单元之间并为所述的集成驱动单元提供电源的开关电源单元；所述的控制单元包括产生电流驱动信号的电流捕获模块、产生相位驱动信号的相位捕获模块、产生控制信号的输出模块；所述的电流捕获模块的输入端与所述的电流测量单元的输出端相连接，所述的电流捕获模块的输出端与所述的输出模块相连接；所述的相位捕获模块的输入端与所述的相位测量单元的输出端相连接，所述的相位捕获模块的输出端与所述的输出模块相连接；所述的输出模块根据所述的电流驱动信号和所述的相位驱动信号产生控制信号并输出；所述的集成驱动单元具有电流输入端和控制信号输入端，所述的电流输入端与所述的整流器的输出端相连接，所述的控制信号输入端与所述的控制模块的输出端相连接，所述的集成驱动单元的输出端与所述的无刷直流电机相连接，所述的集成驱动单元在所述的控制信号的驱动下将由其电流输入端输入的直流信号转变为交流脉冲并驱动所述的无刷直流电机变速运转。
2.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的电流测量单元包括与所述的整流器的输出端相连接的电流传感器、与所述的电流传感器的输出端相连接并产生电流信号输出至所述的电流捕获模块的电流检测模块、与所述的电源相连接并产生电压信号输出至所述的电流捕获模块的电压检测模块。
3.根据权利要求2所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的电压检测模块与所述的开关电源单元相连接。
4.根据权利要求2所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的电流传感器为霍尔电流传感器。
5.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的相位测量单元包括设置于所述的无刷直流电机的转子外围的相位传感器。
6.根据权利要求5所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的相位传感器为霍尔相位传感器。
7.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的基于无刷直流电机的刀间控制装置还包括故障检测单元，所述的控制单元还包括故障中断模块，所述的故障中断模块的输入端与所述的故障检测单元相连接，所述的故障中断模块的输出端与所述的输出模块相连接；当所述的故障检测单元检测到故障状态并产生故障信号传输至所述的故障中断模块时，所述的故障中断模块产生中断信号并传输至所述的输出模块。
8.根据权利要求7所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的故障检测单元包括产生过温信号的温度检测模块、输入端与所述的电流测量单元相连接的并产生欠压信号或过压信号的电压调理模块、输入端与所述的电流测量单元的相连接并产生过流信号的电流调理模块。
9.根据权利要求1所述的基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其特征在于所述的刀闸具有闭合极限位置、打开极限位置、介于所述的闭合极限位置和所述的打开极限位置之间的中间位置，当所述的刀闸处于所述的中间位置时，所述的刀闸具有间隙；当所述的刀闸位于处于所述的闭合极限位置和所述的中间位置之间时，所述的无刷直流电机带动所述的刀闸高速运转；当所述的刀闸处于所述的中间位置和所述的打开极限位置之间时，所述的无刷直流电机带动所述的刀闸低速运转。
全文摘要
本发明涉及一种基于无刷直流电机的刀闸控制装置，其包括与刀闸相连接的无刷直流电机、驱动无刷直流电机变速运转的驱动系统；驱动系统包括与交流电源相连接的整流器、集成驱动单元、控制单元、电流测量单元、相位测量单元、开关电源单元；控制单元包括电流捕获模块、相位捕获模块、产生控制信号的输出模块；集成驱动单元的输入端与整流器、控制模块相连接，输出端与无刷直流电机相连接，集成驱动单元在控制信号的驱动下驱动无刷直流电机变速运转。由于本发明采用无刷直流电机，可以实现刀闸变速转动，运行可靠、维护方便、成本较低；可以避免发生拉弧现象，降低刀闸机械结构的损伤。
文档编号H01H3/26GK102543500SQ20111045575
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者孟红强, 陈斌 申请人:江苏省电力公司苏州供电公司