高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构及其控制方法

摘要

高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构及其控制方法，属于输变电设备技术领域。本发明结构简单、工作可靠，且运动过程可控。在本发明的转子铁心侧的定子铁心的槽中设置有电枢绕组；其特点是电枢绕组采用六相电枢绕组，六相电枢绕组分别与控制电路相连接；在转轴上设置有位置传感器的磁钢，位置传感器的磁钢与设置在壳体上的位置传感器相对应。本发明的控制方法：步骤一：系统初始化；步骤二：判断分/合闸位置，若为分闸位置，则执行步骤三；若为合闸位置，则执行步骤四；步骤三：等待合闸命令，若未到，继续等待；若到了，调用合闸服务程序；步骤四：等待分闸命令，若未到，继续等待；若到了，调用分闸服务程序；步骤五：执行步骤三。

说明书

技术领域：

本发明属于输变电设备技术领域，特别涉及一种高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构及其控制方法，用于直接驱动高压隔离开关。

背景技术：

高压隔离开关的主要功能体现在触头的分/合闸，而触头的分/合闸又是通过操动机构来实现的；因此，操动机构工作性能和质量的优劣，对高压隔离开关的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。高压隔离开关在电网中的主要作用是提供明显的分段间隙、切换电路以改变系统的运行方式。高压隔离开关要求操动机构有足够的输出转矩，并能在规定的时间内完成分/合闸操作。

目前，现有的操动机构包括气动操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构和电机操动机构等。其中，电机操动机构为了实现输出大转矩，满足高压隔离开关的要求；需要将电机轴通过机械传动部分与高压隔离开关的转动轴相连。机械传动部分主要由拐臂、连接杆、齿轮和涡轮蜗杆等零部件组成。此种电机操动机构虽然能够输出大转矩，满足高压隔离开关的要求；但其零部件多、结构复杂、故障率高，且运动过程不可控。

发明内容：

针对现有的电机操动机构零部件多、结构复杂、故障率高，且运动过程不可控的问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠，且运动过程可控的高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构，包括具有转轴通孔的壳体，在壳体内沿径向由内到外依次设置有：转轴、转子铁心、永磁体、电枢绕组和定子铁心；转轴通过轴承固定在壳体上，转轴的两端与壳体的转轴通孔相对应；所述的转子铁心固定在转轴上，定子铁心固定在壳体上，所述的定子铁心是由硅钢片叠压而成的槽形结构，在转子铁心侧的定子铁心的槽中设置有电枢绕组，在定子铁心侧的转子铁心上设置有永磁体；相邻永磁体的极性相反，在相邻永磁体之间设置有非导磁材料；其特点是所述的电枢绕组采用六相电枢绕组，六相电枢绕组分别与控制电路相连接；在所述的转轴上设置有位置传感器的磁钢，位置传感器的磁钢与设置在壳体上的位置传感器相对应；所述的控制电路用于为六相电枢绕组提供矩形波电流，并通过位置传感器检测到的信号控制通过六相电枢绕组中的电流方向。

所述的控制电路包括电源单元、驱动单元和控制单元；所述的电源单元分别与驱动单元的输入端、控制单元的电源端口相连接，所述的驱动单元的输出端分别与电机的六相电枢绕组相连接；所述的控制单元的信号输入端口与位置传感器相连接，所述的控制单元的信号输出端口与驱动单元的控制端相连接。

所述的高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤二：判断分/合闸位置，若为分闸位置，则执行步骤三；若为合闸位置，则执行步骤四；

步骤三：等待合闸命令，若合闸命令未到，则继续等待；若合闸命令到了，调用合闸服务程序；

步骤四：等待分闸命令，若分闸命令未到，则继续等待；若分闸命令到了，调用分闸服务程序；

步骤五：执行步骤三。

步骤三、步骤四中所述的合闸服务程序、分闸服务程序，按以下步骤执行：

步骤A：根据转子位置判断是否可以进行换相，若不可以进行换相，则执行步骤A；否则，执行步骤B；

步骤B：查找晶闸管工作状态表，更新驱动信号；

步骤C：判断分/合闸是否结束，若未结束，则执行步骤A；否则，执行步骤D；

步骤D：返回。

本发明的有益效果：

1、本发明的永磁电机操动机构输出转矩大、转速低且转动平稳，工作可靠；能够提供较大的起动推力，可以不经过机械传动部分直接带动高压隔离开关，克服了传统的电机操动机构机械传动部分结构复杂、零部件多、动态响应较慢、占用空间大，且运动过程不可控的缺点；使电机操动机构的质量大为减小，能量损耗小，提高了工作效率；同时也提高了整个装置的精度和可靠性，具有高响应和高精度的特点；

2、由于本发明采用六相电枢绕组，使电机的转矩脉动更小；可以使高压隔离开关操作时更稳定，以满足高压隔离开关的要求；

3、本发明采用永磁无刷直流电机，并通过矩形波电流，在满足高压隔离开关对转矩的要求下，可以使电机的体积更小。

本发明的永磁电机操动机构提供的电磁转矩可达700～1000N.m，在5～10s内转过180°转角，运动速度仅为3～10r/min。

附图说明：

图1是本发明的一种实施例的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的永磁电机的结构示意图；

图4是图3中除壳体外的A-A剖视图；

图5是本发明的位置传感器的安装位置示意图；

图6是本发明的永磁电机的电枢绕组的链接图；

图7是本发明的控制电路的电路原理框图；

图8是本发明的控制电路的电路原理图；

图9是本发明的主程序流程图；

图10是本发明的分/合闸服务程序流程图；

图中，1-转轴，2-转子铁心，3-定子铁心，4-壳体，5-轴承，6-永磁体，7-电枢绕组，8-气隙，9-本发明的直驱式永磁电机操动机构，10-支架，11-转动轴，12-第一固定绝缘瓶，13-三柱式高压隔离开关，14-高压进线端，15-刀闸转臂，16-转动绝缘瓶，17-接地开关，18-第二固定绝缘瓶，19-高压出线端，20-位置传感器，21-位置传感器的磁钢，22-电源单元，23-驱动单元，24-控制单元。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图3、图4、图5所示，一种高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构，包括具有转轴通孔的壳体4，在壳体4内沿径向由内到外依次设置有：转轴1、转子铁心2、永磁体6、电枢绕组7和定子铁心3；转轴1通过轴承5固定在壳体4上，转轴1的两端与壳体4的转轴通孔相对应；所述的转子铁心2固定在转轴1上，定子铁心3固定在壳体4上，所述的定子铁心3是由硅钢片叠压而成的槽形结构，在转子铁心2侧的定子铁心3的槽中设置有电枢绕组7，在定子铁心3侧的转子铁心2上设置有永磁体6；相邻永磁体6的极性相反，在相邻永磁体6之间设置有非导磁材料；所述的电枢绕组7采用六相电枢绕组7，六相电枢绕组7分别与控制电路相连接；在所述的转轴1上设置有位置传感器的磁钢21，位置传感器的磁钢21与设置在壳体4上的位置传感器20相对应；所述的控制电路用于为六相电枢绕组7提供矩形波电流，并通过位置传感器20检测到的信号控制通过六相电枢绕组7中的电流方向。

如图7所示，所述的控制电路包括电源单元、驱动单元和控制单元；所述的电源单元分别与驱动单元的输入端、控制单元的电源端口相连接，所述的驱动单元的输出端分别与电机的六相电枢绕组相连接；所述的控制单元的信号输入端口与位置传感器相连接，所述的控制单元的信号输出端口与驱动单元的控制端相连接。

如图8所示，所述的控制电路的具体连接关系为：

所述的电源单元22由整流桥和电容C组成；所述的控制单元24采用型号为PIC16F877的单片机；所述的驱动单元23由六个驱动电路组成，每个驱动电路采用由四个晶闸管和四个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路。

220V交流电与整流桥的输入端相连接，整流桥的输出端经电容C分别与六个驱动电路的输入端相连接；六个驱动电路的输出端分别与电机的六相电枢绕组Aa、Bb、Cc、Dd、Ee和Ff相连接，六个驱动电路的控制端分别与单片机的信号输出端口RA0、RB0、RA1、RB1、RA2、RB2、RA3、RB3、RA4、RB4、RA5和RB5相连接。单片机的信号输入端口RC0、RC1、RC2、RC3、RC4和RC5分别与六个位置传感器20相连接；单片机的输入端口RD0和RD1分别与按键K1和K2的一端相连接，按键K1和K2的另一端分别与地相连接；按键K1和K2用于发出分/合闸命令。

如图9所示，所述的高压隔离开关的直驱式永磁电机操动机构的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：系统初始化；

步骤二：判断分/合闸位置，若为分闸位置，则执行步骤三；若为合闸位置，则执行步骤四；

步骤三：等待合闸命令，若合闸命令未到，则继续等待；若合闸命令到了，调用合闸服务程序；

步骤四：等待分闸命令，若分闸命令未到，则继续等待；若分闸命令到了，调用分闸服务程序；

步骤五：执行步骤三。

如图10所示，步骤三、步骤四中所述的合闸服务程序、分闸服务程序，按以下步骤执行：

步骤A：根据转子位置判断是否可以进行换相，若不可以进行换相，则执行步骤A；否则，执行步骤B；

步骤B：查找晶闸管工作状态表，更新驱动信号；

步骤C：判断分/合闸是否结束，若未结束，则执行步骤A；否则，执行步骤D；

步骤D：返回。

下面结合附图说明本发明的永磁电机操动机构的一次动作过程：

如图1、图2所示，使用时，将本发明的直驱式永磁电机操动机构9固定在三柱式高压隔离开关13的支架10上，将电机的转轴1与高压隔离开关13的转动轴11直接相连。电机转轴1的旋转直接带动高压隔离开关13转动轴11的旋转，高压隔离开关13的转动轴11通过转动绝缘瓶16带动刀闸转臂15旋转，从而实现高压隔离开关13的分/合闸操作。

使用者通过按键K1/K2发出分/合闸命令后，单片机通过其信号输出端口使晶闸管导通/关断。此时，电源单元22为电机的电枢绕组7供电，电机的转子转动。随着转子的转动，一部分电枢绕组7将从一块永磁体6转到另一块极性相反的永磁体6下，产生相反方向的力，使电枢绕组7的总输出转矩减少。因此，通过各相电枢绕组7的电流要按一定的顺序换相，使同一永磁体6下的所有电枢绕组7通过相同方向的电流；这样，电枢绕组7在磁场的作用下会产生方向一致的推力，在保证输出转矩稳定的同时，还可以有效的减少输出转矩的脉振。例如，当转子转过15°转角后，F相电枢绕组7将离开原来所属的永磁体6，转到另一块极性相反的永磁体6下，产生顺时针的转矩，与电机转动方向相反，使得电枢绕组7的总输出转矩减少。此时，改变流过F相电枢绕组7的电流方向，可保证同一永磁体6下的所有电枢绕组7通过相同方向的电流。当转子再转过15°转角后，E相电枢绕组7换相，以此规则顺序换相，可使输出转矩足够带动高压隔离开关，且稳定。

换相的过程如下：当位置传感器20检测到该相电枢绕组7离开原来所属的永磁体6时，位置传感器20将检测信号传给单片机；单片机通过信号输出端口控制该相电枢绕组7所对应的晶闸管的导通状态，从而改变流过该相电枢绕组7的电流方向，完成换相。

分/合闸位置的判断：

单片机通过六个位置传感器20得到一组6位2进制的位置信号，其中，111111代表高压隔离开关在合闸位置，000000代表高压隔离开关在分闸位置。

根据转子位置判断是否换相：

将本次得到的位置信号与上一采样时刻得到的位置信号进行对比，若有变化则需要换相；若没有变化，则不需要换相。

分/合闸动作结束判断：

若高压隔离开关执行分闸操作，当其达到分闸位置，即位置信号为000000时，则认为分闸结束。同理，若高压隔离开关执行合闸操作，位置信号为111111时，则认为合闸结束。

表1高压隔离开关分闸时晶闸管的工作状态表

表2高压隔离开关合闸时晶闸管的工作状态表