基于線圈電流的永磁真空斷路器控制方法
為使永磁真空斷路器(VCB)分合閘的動(dòng)作時(shí)間保持一致，實(shí)現(xiàn)可靠的同步關(guān)合，基于永磁機(jī)構(gòu)(PMA)的動(dòng)態(tài)特性，分析了動(dòng)觸頭在不同運(yùn)動(dòng)階段下的線圈電流，以及參考電流曲線的獲取方法�；赟imulink控制模型，通過(guò)改進(jìn)滯環(huán)控制方法有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)參考電流曲線的跟蹤。為檢驗(yàn)控制算法，設(shè)計(jì)了以ARM 處理器為核心的智能控制器，通過(guò)選取3種不同容量的儲(chǔ)能電容，在150～200V電壓范圍內(nèi)進(jìn)行了斷路器的分合閘實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，基于上述控制原理設(shè)計(jì)的控制器可以有效控制斷路器的動(dòng)觸頭的行程軌跡，使動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡與參考電流曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致；在選定的線圈參考電流曲線下，實(shí)際斷路器分合閘的動(dòng)作時(shí)間的誤差≤0.3ms。
引言
當(dāng)斷路器開斷和閉合電力設(shè)備時(shí)，電壓初相角是隨機(jī)的，因此關(guān)合瞬間系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓，對(duì)電力設(shè)備造成損害。同步關(guān)合技術(shù)可以減小操作過(guò)程中的涌流和過(guò)電壓、縮短系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減小對(duì)斷路器自身的損害、提高其分?jǐn)嗄芰ΑＦ浼夹g(shù)關(guān)鍵在于提高機(jī)構(gòu)操作的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作分散性大、運(yùn)動(dòng)可控性差、響應(yīng)速度慢，限制了其在同步關(guān)合領(lǐng)域的發(fā)展。永磁機(jī)構(gòu)的零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，其動(dòng)作分散性小，機(jī)械壽命長(zhǎng)，為開關(guān)同步關(guān)合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了很好的保證。由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性直接影響永磁真空斷路器的運(yùn)行可靠性，因此，永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究受到了廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)對(duì)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析，為基于電流曲線控制的方法提供了理論基礎(chǔ)。
雖然永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)作分散性較小，但是由于其儲(chǔ)能電容的容量易受溫度影響，且電壓不穩(wěn)定，線圈電阻率會(huì)發(fā)生變化，因此會(huì)造成斷路器的動(dòng)作時(shí)間發(fā)生改變。由于永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)方程較為復(fù)雜，幾乎不可能建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)在線計(jì)算上述原因造成的動(dòng)作時(shí)間誤差進(jìn)行補(bǔ)償、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。因此，使用基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)預(yù)測(cè)動(dòng)作時(shí)間成為實(shí)現(xiàn)同步關(guān)合的一種可行方案。由于該算法是在開環(huán)狀態(tài)下完成控制的，因此斷路器觸頭的動(dòng)作過(guò)程無(wú)法控制，使同步關(guān)合技術(shù)存在不確定因素。此外，基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，增加了實(shí)施的難度。而斷路器動(dòng)觸頭位移曲線的閉環(huán)控制方法雖然可以對(duì)斷路器動(dòng)觸頭的行程進(jìn)行準(zhǔn)確控制，但其位移傳感器在工作過(guò)程中的內(nèi)部測(cè)量抽頭處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量次數(shù)有限，自身容易發(fā)生故障，且位移傳感器通常需要與動(dòng)觸頭連桿直接連接，不易安裝，也容易誘發(fā)電氣故障，因此限制了其應(yīng)用。
本文提出了一種以永磁機(jī)構(gòu)線圈電流為控制對(duì)象，通過(guò)改進(jìn)型的滯環(huán)控制算法對(duì)參考線圈電流進(jìn)行跟蹤控制的方法。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為基于這種控制方法，永磁機(jī)構(gòu)本身無(wú)需增加任何部件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器觸頭狀態(tài)的控制，使斷路器的動(dòng)作時(shí)間保持在一定值，為斷路器同步關(guān)合的實(shí)現(xiàn)提供了可靠基礎(chǔ)。通過(guò)設(shè)計(jì)以ARM處理器為核心的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12kV單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器分合閘的準(zhǔn)確控制，使分合閘動(dòng)作時(shí)間誤差在≤0.3ms，滿足同步關(guān)合時(shí)要求的合閘時(shí)間誤差≤1ms、分閘誤差≤2ms的技術(shù)要求；同時(shí)也使得永磁機(jī)構(gòu)的勵(lì)磁線圈和斷路器的動(dòng)觸頭得到保護(hù)。
1、永磁機(jī)構(gòu)的線圈電流特性
永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是由電磁和機(jī)械的綜合過(guò)渡過(guò)程決定的。為了能夠有效滅弧，應(yīng)適當(dāng)加快動(dòng)觸頭的速度；然而若動(dòng)觸頭速度過(guò)大，則會(huì)引起碰撞能量的增加，不利于電氣和機(jī)械壽命的提高。因此，準(zhǔn)確計(jì)算并分析永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、使斷路器動(dòng)作過(guò)程中電磁力與運(yùn)動(dòng)反力合理配合對(duì)機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體檢特性的配合具有重要意義。永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可以由式(1)來(lái)描述
式中：Uc為電容電壓；i、Ψ 分別為線圈電流和電磁系統(tǒng)全磁鏈；δ為磁場(chǎng)間隙；t為時(shí)間；Wμ為電磁系統(tǒng)的磁能，是i、Ψ 的函數(shù)；x 為銜鐵位移；m 為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件歸算到銜鐵處的質(zhì)量；Fmag、Ff分別為銜鐵受到的電磁吸力和運(yùn)動(dòng)反力；C、R 分別為電容容量和線圈等值電阻；f1和f2分別為合閘過(guò)程中電磁吸力和磁通的變化。
6、結(jié)論
1)文中所述獲取電流參考曲線的獲取方法，可以有效控制動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)狀，減小動(dòng)觸頭的碰撞能量，使相同條件下，斷路器的重合閘次數(shù)得到提高，有利于實(shí)現(xiàn)多次重合閘。
2)實(shí)驗(yàn)表明，基于所述控制算法設(shè)計(jì)的控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)12kV單穩(wěn)態(tài)真空斷路器的智能控制，使真空斷路器的分閘和合閘誤差范圍均≤0.3ms，保證了分合閘時(shí)間的一致性，為同步關(guān)合創(chuàng)造了可靠的基礎(chǔ)。由于無(wú)須在斷路器本體機(jī)構(gòu)增加任何環(huán)節(jié)，參考曲線獲取由控制器自身采樣獲得，因此控制方法簡(jiǎn)單可行，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
