高压断路器运动特性闭环控制技术的研究

高压断路器灭弧室动触头的运动特性对断路器的开断、关合能力有很大的影响。现在的高压断路器操动机构的操作过程都是开环方式，不能实现运动全过程的调节控制。本项目研究高压断路器灭弧室动触头运动的闭环控制技术，在开断、关合过程中，控制单元驱动操动机构运动，把动触头的位置反馈信号和预期行程曲线数据相比较，送出进一步的控制信号，通过闭环控制，以获得预期的动触头运动行程特性。.以电机驱动机构为对象，通过建立数学模型、计算机仿真计算、设计和制造能实现闭环控制技术要求的电机驱动机构操动的SF6高压断路器样机、设计和实现控制程序、样机试验，研究高压断路器灭弧室动触头运动特性的闭环控制方法。.本项目的有关成果，可以提高断路器的开断、关合能力、机械电气寿命和运行可靠性，对提高断路器的技术经济水平具有重要意义，有实际应用前景。

课题以交流接触器为研究对象，提出了全闭环实时控制思路，在结构本体三维设计、电磁机械特性分析、控制方案比较分析中开展了大量的研究工作。 1、主要研究内容： （1）最佳触头闭合与分断区域的寻找；（2）建立动态仿真数据库；（3）建立用于全闭环控制的特征参量；（4）设计具有起动闭环、保持闭环、触头系统反馈环的全闭环控制系统；（5）采用理论分析、模拟仿真、实验研究相结合的研究方法，形成完整的交流接触器智能控制理论。 2、主要研究结果： （1）建立了含触头与电磁系统的交流接触器三维全仿真动态模型，考虑运动过程中摩擦力、碰撞过程形变等因素的影响，将描述材料形变量的本构方程、运动方程以及边界约束引入到控制方程中，建立了三维运动模型，分析了触头的一次和二次弹跳，以及铁心弹跳对触头弹跳的影响。 （2）利用课题组自制的“电磁系统仿真优化设计平台”，对系列交流接触器的运动过程进行分析，寻找最佳、最差分、合闸相角。针对E型电磁系统，得出最差合闸相角在 80°-100°之间的现象，最差分闸相角由于三相系统燃弧情况的复杂性，不易确定。但“零电流分断控制”方案的实施，为分断过程实现无弧或少弧控制提供了方案，已在新型单相接触器中得以实现。 （3）对电磁机构吸合电流进行直接闭环控制，实现交流接触器吸合过程触头无弹跳（或少弹跳）、吸持阶段节能运行、分断过程快速分断的工作状态。以电流闭环作为基础内环，吸合过程采用斜率外环控制电流内环，减少吸合弹跳，吸持阶段仅靠电流闭环进行可靠的节能无声运行。通过小波分析，寻找触头弹跳期间触头电压的高尺度小波能量时谱变换值，作为反映弹跳时间和弹跳幅度的变化量，引入智能控制模块，实现全闭环实时控制，这部分的样机验证工作还需要进一步完善。 （4）将控制模块的电路仿真、可编程芯片中的软件控制策略仿真、接触器本体的三维多物理场动态仿真相结合，实现硬件控制电路、软件控制策略及接触器本体设计一体化的逐点闭环仿真，实现最佳控制策略与本体结构的协调统一。 （5）研究不同条件下分断过程触头电弧电压的变化规律，确定最佳分断区域并分析该区域前后范围内分断电弧的重燃情况。利用电弧识别模型研究电弧重燃判据，进一步完善交流接触器的全闭环实时控制。 项目成果共获得2项福建省科学技术进步二等奖，结合该项目的研究，培养硕士7名，博士3名，发表论文35篇，被EI收录18篇，申请国家发明专利25项，授权16项。

低压电磁电器智能化控制技术的发展，由于机构动作分散性、吸合过程铁心与触头的弹跳、分断过程触头之间电弧等诸多因素的影响，受到制约。对交流电磁电器而言，系统相位角、幅值等参数随时间变化，使得交流开关器件在不同的时刻合闸或分闸时，电压和电流的差别很大，影响其动作特性的因素更加不确定，因而智能化控制难度更大。能否借助现代控制理论、仿真技术、实验研究等手段，彻底改变传统低压电器的工作模式，形成具有自学习和自主控制的新一代开关电器，是本课题想要解决的问题。课题以交流接触器为研究对象，通过实验研究与仿真设计相结合的方法，寻找不同相角情况下，交流接触器特性的影响因素，得出最佳吸合过程和分断过程的控制模式，采用形态小波算法，寻找能够反映接触器触头参数的特征参量，结合现代控制技术研究交流接触器全闭环实时在线控制的相关技术和相关理论，希望形成电磁电器新控制思路。项目属于交流电磁电器智能控制领域的应用基础研究。

对于某些低功率应用，内在控制简单，微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。

步进是唯一可以在开环情况下运行，而不需位置反馈的运动控制方法。

基于步进的运动系统可以达到0.75千瓦（1马力）的功率，但对大多数应用来说，都是在较低输出功率中运行的。大批厂商关注于这个市场。

Baldor电气的实时运动控制器NextMovee100，可以为16个轴进行插值，并且最多可以管理连接到以太网Powerlink上的240个轴。这些轴处理简单的点对点运动、引导序列、点动控制，以及与步进（伺服）运动系统相关的扭矩需求。