高压断路器的电动机驱动操控机构

高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备。操动机构是控制断路器进行分闸和合闸操作的机构。目前比较常用的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。

为了克服传统操动机构的局限性，提高断路器的操作性能，下一代新型断路器机构将研究一种运用三相永磁同步电动机（PMSM）直接驱动断路器进行操作的技术。PMSM驱动的操动机构只有一个转动的电动机转子部件，运动的部件和直接撞击的部位少、噪声小。该操动机构用电容器代替弹簧或压缩空气来存储控制操动机构的能量，能量从储能电容器经过电力电子器件组成的逆变器输出，电动机在数字信号处理器（DSP）的控制下，直接驱动断路器动触头，进行分合闸操作，无需通过链带、液压液或者压缩空气来传递能量，有较高的效率和可靠性。采用电动机的速度和位置的闭环控制方法，电动机操动机构的操动速度和操作时间都是可以控制的，并且周围的温度、辅助电源电压的变化对电动机的影响都很小。由于电动机的控制系统中已有位置速度传感器和电流电压传感器，在此基础上，很容易实现对操动机构和断路器进行连续的自检和监测等功能。总体来说，电动机操动机构提供了一个全新的和通用的方法来操作高压断路器，它有以下优点：①移动的部件和直接撞击的部位少、噪声小，系统简单可靠；②对电源没有特别的要求，使用当地的交/直流电源，没有大的暂态载荷；③能根据实际运行情况选择操作曲线，实现闭环控制；④断路器的老化、环境温度变化等对动触头操动性能的影响小；⑤容易实现实时状态监测。

电动机驱动的断路器能实现智能灭弧，减小对系统的冲击，实现开关设备的状态维护和自我调节，如图11-10所示。

电动机操动机构主要由交流（或者直流）电源、电容充电电路、储能电容器、逆变电路、控制电路和电动机组成，如图11-11所示。电动机由智能功率模块（IPM）驱动，该模块集成了三相高速低损耗的IGBT模块、驱动和保护电路。通过霍尔电流传感器，检测得到电动机的电流信号。电流信号经过滤波和信号转换后，作为控制信号输入控制电路。电动机的转速和转子位置由安装在转轴上的光电编码器获得，断路器动触头的行程由行程传感器检测。

图11-10 高压断路器电动机驱动操动机构(www.xing528.com)

图11-11 智能机构（电机驱动）交流伺服系统结构

PC通过通信接口和控制电路连接，记录和显示断路器的操作过程，并可现场调试操动机构，使电动机操动机构更好地满足断路器操作的要求。

电动机操动机构的控制电路以数字信号处理器（DSP）为核心。这种芯片具有功耗低和运算处理速度快的特点，可以完成电动机数字控制中传感器信号的采集与数据处理，并根据电动机矢量控制算法，产生控制IGBT开关的PWM信号，从而驱动电动机，实现对高压断路器操作的控制。DSP的低功耗特性适合应用于电池供电的场合，而高速度非常适用于电动机的实时控制。另外，系统的低功耗运行，还有利于电动机操动机构在外部充电电源断电的情况下，依靠储能电容器中存储的电能，依然能够对断路器进行多次的正常操作。