永磁直线电机操动的高压断路器控制技术研究

摘要

“智能电网”概念所代表的电力行业新方向日益受到人们的关注，它对断路器等电力一次设备提出更高的性能要求。由于断路器所保护设备的价值远远大于断路器本身，因而其可靠运行能力一直是研制新型操动机构的首要考虑因素。目前常用两种操动机构:液压操动机构和弹簧操动机构。液压操动机构出力大，一般应用于电压等级更高的场合，但是受到环境温度的限制，并且需要实时监测液压油是否渗漏。弹簧操动机构成本低，降低了制造工艺难度，但是由于零件众多，存在着可靠性隐患。而当前研究的热点永磁操动机构，又难以克服应用于高压领域的技术瓶颈。本文提出了高压断路器用永磁直线电机操动机构控制系统，利用圆筒型永磁直线电机直接驱动高压断路器灭弧室的开合。在分析断路器灭弧室结构和其技术指标基础上，提出控制目标和控制要求，综合选择控制策略并搭建仿真模型，并基于TMS320F2812搭建了控制平台，初步验证了该控制系统的可行性。本文的工作为进一步将永磁直线电机应用在高压断路器操动领域奠定了基础。
　　首先，介绍高压断路器的背景，分析126kV自能式六氟化硫断路器的分合闸过程，提出操动机构的控制目标和负载特性;在对电机的结构、自感进行分析的基础上，建立电机的定子坐标系、旋转坐标系下的数学模型。
　　然后，介绍常用的永磁电机控制方法，结合本应用对象选择id=0的双闭环解耦控制方案，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，并应用自抗扰控制技术改进控制性能;提出了便于移植自抗扰控制器到DSP等控制平台的分段线性化的方法，仿真结果验证了自抗扰技术的先进性。
　　最后，基于TMS320F2812设计电机操动机构的硬件平台，包括电流采样电路、驱动电路、短路保护电路、过流保护电路、温度保护电路和位置信号电平整形电路。并在CCS集成开发环境中设计软件系统。进行了实验验证，实现了电流控制、转速闭环实验。

目录

声明

摘要

图录

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 高压断路器的背景介绍

1．2．1 高压断路器灭弧室的发展和趋势

1．2．2 高压断路器操动机构的发展及特点

1．3 电机操动机构和控制方法的国内外发展现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 高压断路器操动要求与电机建模

2．1 引言

2．1 高压断路器的操动要求

2．1．1 断路器的分合闸特性和反力特性

2．1．2 断路器操动机构的速度曲线

2．2 圆筒型永磁直线电机特性和建模

2．2．1 圆筒型永磁直线电机的结构特点和静态特性

2．2．2 圆筒型永磁直线电机的数学模型

2．2．3 圆筒型永磁直线电机模型的不确定因素

2．3 本章小结

第3章 高压断路器用永磁直线电机操动系统的控制

3．1 引言

3．2 控制策略的分析和选择

3．2．1 电流电压极限圆

3．2．2 磁链定向控制

3．3 操动系统控制模型

3．4 自抗扰控制技术

3．4．1 自抗扰控制技术简介

3．4．2 自抗扰控制器的结构

3．4．3 电机操动系统的自抗扰控制器稳定性

3．4．3 电机操动系统的自抗扰控制器设计和参数整定

3．4．4 仿真结果分析

3．4．5 自抗扰控制中非线性方程的分段线性化

3．5 本章小结

第4章 控制系统软硬件平台设计与实现

4．1 引言

4．2 硬件电路设计

4．2．1 DSP控制器

4．2．2 IGBT模块

4．2．3 电流采样电路的设计

4．2．4 速度和位置检测电路的设计

4．2．5 IGBT驱动电路的设计

4．2．5 短路保护电路的设计和优化

4．2．7 温度保护电路设计

4．3 控制系统的软件设计

4．3．1 控制系统的主程序

4．3．2 控制系统的中断服务程序

4．4 本章小结

第5章 高压断路器用永磁直线电机操动系统的实验研究

5．1 引言

5．2 高压断路器用永磁直线电机操动系统的实验验证

5．2．1 系统调试和测试

5．2．2 实验结果

5．3 电机操动机构分散性的实验研究

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士研究生期间学术成果

致谢