电力电子控制的电动机操动机构动态特性的仿真研究

摘要

操动机构是断路器的重要组成部分，它不但要保证断路器长期的动作可靠性，而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。传统操动机构零部件数量多，传动关系复杂，控制灵活性差，不能很好的满足开断和关合要求，维护不便，故障率高。为了满足电力系统对高可靠性的要求，在致力于提高传统操动机构性能、质量和可靠性的同时，可突破传统意义上的机构动作原理，研制和开发新型断路器操动机构。
　　目前，新出现的断路器操动机构主要有两种：永磁保持、电子控制的电磁操动机构和电力电子控制的电动机操动机构。电力电子控制的电动机操动机构按电动机的种类来分，主要包括旋转电机操动机构和直线电机操动机构两种。在国内外，直线电机驱动的断路器已经得到一定程度的发展，尽管还存在许多实际问题有待研究，但技术相对比较成熟；而对旋转电机驱动的断路器控制技术的研究还非常少，基本处于起步阶段。
　　随着电力电子技术和现代控制技术的发展，旋转电动机的控制优越性愈加明显，利用旋转电动机驱动的断路器受到人们越来越多的关注。断路器的动态性能与所采用的操动机构有很大关系，而电动机通过灵活控制可以满足各种断路器的动态运动特性，易于改变速度-推力特性，还可以根据不同工作状态下合闸和拉闸的需要提供不同的驱动力和速度。而且，旋转电机驱动的断路器具有机械部件少，动作时间分散性小和电子操作便于控制的优点，将是相控断路器的一个发展方向。
　　本文主要对电力电子控制的旋转电机操动机构进行了详细研究，设计出可行的操动系统控制方案，使电动机工作特性能很好地满足断路器开断和关合时的速度-推力特性要求，进而实现智能控制。文中首先介绍了断路器操动机构的发展历史和传统操动机构的特点，引出了新型电动机操动机构，接着详细阐述了旋转电机操动机构的基本原理和电动机的特殊工作状态。然后，根据电动机的动态数学模型，结合变频器控制技术，设计出电动机操动机构的控制器。根据永磁同步电动机的动态数学模型和逆变器动态分析模型，在MATLAB/SIMULINK中搭建操动系统的仿真模型，通过计算机仿真研究，寻找出最佳控制方案。针对126kV

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 高压断路器的应用和发展现状

1.1.1 高压断路器操动机构的发展现状

1.1.2 相控(同步)断路器研究现状

1.2 课题的来源和意义

1.3 论文的主要内容

第二章 新型电动机操动机构基本结构和控制原理

2.1 机构总体设计

2.2 机构各部分数学模型

2.2.1 电动机的暂态模型

2.2.2 变频器动态分析模型

2.2.3 拉杆传动机构的非线性描述

2.3 系统各部分控制方法

2.3.1 电动机动态控制理论

2.3.2 电动机系统控制方法

第三章 电动机带恒定负载转矩跟踪控制研究

3.1 特定速度曲线跟踪控制研究

3.2 传统PID控制策略

3.2.1 固定开关频率PWM电流PI控制方法

3.2.2 滞环PWM电流控制方法

3.2.3 小结

3.3 反向递推式控制策略

3.4 本章小结

第四章 模拟断路器按期望运动特性工作的仿真研究

4.1 传统PID控制策略下的断路器分断特性仿真研究

4.2 反向递推式控制策略下的断路器分断特性仿真研究

4.3 本章小结

第五章 改进控制方案

5.1 单神经元PID控制策略下的分断特性研究

5.1.1 基于增量式PID算法的单神经元结构和基本算法

5.1.2 增量式单神经元PID速度控制器应用仿真

5.2 最大转矩电流比控制策略

5.3 控制方法比较分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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