高压隔离开关触头运动智能控制策略研究

第7期 2014年7月 组合机床与自动化加工技术 o7 章编号：10012265(2014)07006204 013462j01407017 高压隔离开关触头运动智能控制策略研究米 刘爱民 一，吴志恒 ，徐建源 ，史可鉴 一，汤 庚 (1沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870；2辽宁省电网安全运行与监测重点实验室，沈阳 110870) 摘要：高压隔离开关(动机构结构简单、负载力矩小，采用永磁无刷直流电机驱动开关操作杆， 带动机构运动进而实现分合操作，具有良好的快速响应能力及可控性能。为实现对550动的过程进行控制，消除合闸弹跳，满足分合闸速度要求，在隔离开关操作过程中，采用电流和速 度双闭环控制方法对电机操动机构的运动过程进行控制并将模糊控制算法用于速度环与相结合，在线实时调整控制参数，以增强其控制精度。并以550及验结果表明，在触头运动的过程控制中，结合模糊控制算 法的智能控制系统能够使实时调整开关触头的运动速度以保证分合闸动作稳定性满足分合闸速度 要求。 关键词：电机操动机构；高压隔离开关；糊控制算法；数字信号处理器 中图分类号：献标识码：A of ihi， (1 10870，ab 1 0870，he S)of C a- a to n to 50 S of in to nd is in ID to of in to he on 50S as SP as of he of of of of to ID； 引言 在高压电网中隔离开关起到隔离线路建立可靠绝 缘间隙的作用。高压隔离开关性能及其操动机构的好 坏直接影响电网的安全运行，是高压电网中最重要的 设备之一_1。 高压隔离开关(操作过程中常由于动作末 期速度大导致触头碰撞严重、传动部件损坏变形等，因 此，有必要对开关触头的运动过程进行控制。以往的 高压隔离开关操动机构采用弹簧、液压或气动技术，具 收稿日期：20131019；修回日期：20131202 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51377107) 作者简介：刘爱民(1961一)，女，沈阳人，沈大学副教授，博士，研究方向为直线电机、智能化电器，(Ekf632014年7月 刘爱民，等：高压隔离开关触头运动智能控制策略研究 63 有连杆多、结构复杂的缺点。因此，其累计运动公差 大，响应缓慢、可控性差，难以实现触头的运动控制 。 无刷直流电机(动机构作为一种的 新型操动机构其原理上是利用通电线圈产生安培 力驱动机构运动，控制方式也是采用电子操动电压 或电流信号实现的分、合闸操作 ，将其用在能够很好地实现开关触头运动的过程控制。本 文为了能对开关触头速度进行调速控制，保证分合 闸的稳定性减轻触头碰撞，以550运动过程为研究对象，搭建了以(核心的 控制系统，采用电流和速度双闭环控制策略对触头 的运动过程进行控制，并将模糊控制算法应用于速 度环控制中。模糊控制算法与够实时在线调整控制器的控制参数，调高了触头 调速的控制精度，使开关触头动作稳定性有了很大 1 引： ；=( ；+p童一 ；+( ； 定子绕组产生的电磁转矩方程与运动方程分别 为： ： (2) 一 = 警 (3) 式中， 、“ 、“ 为定子相绕组电压，i。、i 、i 为定子相绕组电流；e 、e 、e 为定子相 绕组电动势， 为每相绕组的电感， 为每相绕组问 的互感，=为电磁转矩， 为负载转矩，为转动惯量，(械角速度。 根据其数学模型分析可知，为了能够对电机运动 速度进行控制，进而控制开关触头的运动过程，须在绕 组的两端加上可变电压 ，本文采用脉宽调制(技术来获得可变电压。 头运动 的速度可调是通过改变 同的占空比下电机带动触头运动的行程是不同的，如 图1所示，从左至右依次为占空比是90、75、65、 60的电机运动的行程曲线。从图中可以得出，占空 比越大，行程曲线的上升斜率越大，即电机转速越大； 随着占空比的减小，行程曲线斜率变小，即电机转速变 小。 图1不同占空比下触头行程曲线 所以通过实时的改变机转速控制，进而实现对开关触头运动过程的调速 控制，保证2 1模糊控制算法的基本原理 在模糊控制中，通常把误差糊控制器的输入语言变量，把控制量 作为模糊控 制器的输出语言变量，从关系上看为e(t)=t)一 )U=F(E，实质上体现为模糊控制器是 一种非线性的比例微分(制关系。模糊控制系 统框图如图2所示。 图2模糊控制系统框图 误差e、误差变化率模糊控制的基本论域。在模糊控制中，用模糊概念 来表述输入和输出变量， 称为输出语言变量。 输入变量e、为了实施模糊控制，需通过模糊化处理将其转化 为语言变量值，经过处理后，得到输入变量e、输人基本论域内的一个实际值隶属于各语言变 量值的程度。根据规则“如果 是A，则 表示k B)进行模 糊推理，可以得到一个输出模糊集，即输出语言变 量值。 将这些输出语言变量值进行模糊合成，得到 一个综合的输出模糊集，再将模糊合成得到的综 合输出模糊集进行转化，即将语言变量值转化为 输入变量基本论域内的一个实值，对被控过程进 行控制 。 22 开关触头运动的模糊制，电机操动机构与控制器的电气控制原理图如图 3所示，控制系统内环为电流环，通过64 组合机床与自动化加工技术 第7期 节电流输出。外环为速度环，调节电机转速输出，为确 保整个系统具有良好的动、静态特性，速度环采用模糊 霸 f H 黼 囱 船l 赫 啊 I I 隔离鼎动电路 I I J ： 肿 O Oi l l 删 ，j l l b 贼 蚓 c j m l 0蕊热!。 I 圈豳 图3电机操动机构及控制器的电气原理图 221基本参数的选取 为了提高模糊控制器的精度和跟踪性能，控制量 应选择多种语言变量，分档越细性能越好。但缺点是 规则数和计算量大大增加，从而使调试更加困难，控制 器的实时性也难以满足要求。本文采用两输入三 输出的形式，以触头速度的偏差言变量，控制参数 、k 和k 为输出语言变量。输 入语言变量的语言值均取为“负大”(“负中” (“负小”(“零”(“正小”(“正 中”(“正大”(种。输出语言变量的语言值 均取为“零”(“正小”(“正中”(“正 大”(种。将偏差一3，3)的区域内，输出量化到(0，3)的区域内，隶属 函数曲线见图4。 善。 童。 。 。 一l 0 1 P (a)偏差h)偏差变化率4输入隶属函数 222建立模糊规则 根据隔离开关触头运动的性能以及参数k 、 和 k 对系统输出特性的影响，可得出在不同的参数的自整定原则。在整个隔离开关触头运行过程中 通过不断检测据模糊控制原理对3个参数 进行在线修改，以满足不同求，使触头对预设参考曲线具有良好的实时跟踪性 能。 (i)当l 论偏差变化趋势如何，都应 考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出，以达到迅 速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。同时为 了防止积分饱和，此时应取较大后 ，较小的k 和k 取 零。 (2)当e X 时，偏差在向偏差绝对值增大方 向变化。若偏差较大，可考虑由控制器实施较强的控 制作用，以达到扭转偏差绝对值朝减小方向变化，并迅 速减小偏差绝对值，此时取较大的k ，k 不能太大，取 较小的 值。若偏差绝对值较小，控制器实施一般的 控制作用，只要扭转偏差的变化趋势，使其朝误差绝对 值减小方向变化。 (3)当e或e=0时，偏差的绝对值朝减小 的方向变化，或者已达到平衡状态，可采取保持控制器 输出不变。 (4)当e，e0时，系统的曲线与参考曲 线平行或一致，为使系统具有良好的稳态性能，应采取 较大 和k 值，同时避免设定值附近振荡，并考虑系 统的抗干扰性能，适当选取后 值。 整个模糊规则是在来实现： IF e (k)ec C(k)， (k) k)k)。 3实验方案研究 中分闸速度指 从刚分点开始到刚分后34行程内的平均速度。合闸 速度指从刚合点到刚合前34行程内的平均速度。分 合闸时间指发出指令到动作结束的时间。 表1主要技术参数 为了满足开关操作过程的主要技术指标，且保证 开关触头动作的稳定性，本文提出如下技术方案：合 闸过程：使开关的合闸动作过程前期速度大，后期速度 小，以保证整个动作过程中既能保证合闸速度达到技 术要求指标，又能使开关在后期合闸时减少动触头与 静触头的碰撞，消除弹跳。分闸过程：使开关在超行 2014年7月 刘爱民，等：高压隔离开关触头运动智能控制策略研究 65 程阶段(即刚分点之前)以较慢的速度运动，保存能 量，在刚分点之后以较快的速度分开，以满足分闸速度 技术要求。 4实验结果分析 为验证本文设计的控制方法及控制系统的有效 性，研制并测试了550核心的控制系统，对开关触头的运动过程进行控制， 试验平台如图5所示。试验环境：电容容量： 198000V，温度：25，电容电压：350V。 本文分别对能调速进行实验，图6为未加智能调速控制下的运动行程曲线。 名 图5 500t6 未加智能调速控制下运动行程曲线 从图6可知，点为触头刚合位 置，离开关合闸操作时间为 230机转动量为80。，合闸速度为12ms。在电 机转动至于未加调速控制动触头运动末期 速度很大导致动触头与静触头间会发生接触碰撞，造 成了弹跳现象。 t7智能调速控制下运动行程曲线 图7为加入智能调速控制后曲线，由图明显看出在 免了触头运动末期速度大导致的动、静触头之间的碰 撞。智能调速控制下隔离开关合闸操作时间为 270机转动量为80。，因为合闸速度指从刚合点 到刚合前34行程内的平均速度，所以合闸速度仍为 12ms，满足所以通过智能调速控制技术不仅可以降低刚合位 置后动触头的运动速度以减小动、静触头间的碰撞力， 进而在一定程度上消除合闸弹跳问题，而且能够满足 80 50 喜 20 ： 一10 图8 为未加调速控制技术下的头运动行程曲线 图8为未加调速控制技术下的头运动行程曲线。点为触头刚 分位置，离开关合闸操作时间为 380机转动量为82。，分闸速度为05ms。其中 A一由于开关在超行程阶段和行程阶段的前期运动速度较 大用掉了大量的电容储能，导致行程后期速度减慢，影 响整个行程速度，以致达不到10o 90 8O 70 6O 。 g 40 量30 20 10 O 一10 图9调速控制技术下的头运动行程曲线 图9为智能控制调速下的。隔离开关合闸操作时间为270机转动量为 82。，分闸速度为11ms。其中A日段为隔离开关超 程阶段，日图可知，在超行程阶段 调节存能 量，在形成阶段瞬间释放能量，使触头以较快的速度分 开，以达到(下转第69页) 2014年7月 王勐枯，等：发动机零件泄漏测试传热分析 69 条件对于铸铁仍待验证。现代发动机采用铝材的比例 较大且处于上升趋势 j，因此本研究的适用范围处于 合理水平。充气参数和测试时间上，现有文献给出的 数值与上文中零件的生产测试参数基本处于同一量 级 引。 从几何形态而言，需要进行泄漏测试的容积，包括 水道、油道、气道等，属于工作压力较高、起传热或输运 功能的容积，均具有容积较小、比表面积较大的特点。 由于得出的压力和热平衡的结论能够在较大的参数变 化范围内成立，因此研究成果适用于大多数同类型发 动机零部件。 2 结论 通过对发动机零部件泄漏测试中，充气和稳压阶 段的理论计算和数值模拟，证明了这一阶段结束时腔 内气体足以达到温度和压力平衡，其后的测试阶段并 不会受这一阶段充气温度和充气时间等参数的影响。 测试阶段的温度变化和测试结果仅受到测试期间零件 温度和环境温度的影响。 通过计算，证明了测试阶段零件作为一个整体符 合应用集总热容法的条件，并计算得出零件温度和气 体温度与时间呈负指数关系。对于较小的时间和温度 范围，该关系曲线较为平缓，近似于线性规律。这一结 论支持了现有研究中实验数据的分布规律，并对现有 研究中，采用线性方程描述实验结果在温度范围增大 时产生偏差的现象提供了解释。 研究成果给出了泄漏测试中各外部因素与结果误 差的关系，从而为温度补偿方案设计中简化实验方案、 扩大方案适用范围提供了方向和理论依据。 参考文献 1朱正德泄漏检测技术在现代汽车制造业中的应用J 机械开发，1999(3)：3035 2田广奎发动机气密性检测技术与温度补偿J现代 零部件，2012(7)：6467 3朱正德温度因素对密封性测试的影响及其应对技术措 施J组合机床与自动化加工技术，2012(8)：8588 4自动化密封检验中对温度影响的补偿 J组合机床与自动化加工技术，1992(6)：4041， 47 5李锦云，朱会学，马林压降检漏过程中温度对漏率检 测影响研究J，机床与液压，2010，38(13)：1012， 21 6 P， P， L，et P P F O H A M T007，697 7王普凯，赵以贤，毕小平，等基于集总参数法的车用内 燃机传热计算机仿真研究J内燃机学报，2003，21 (4)：239243 8姜海涛，王孟君，黄电源汽车用铝合金的研究进展 J金属热处理，2006，31(9)：3438 9袁云峰温度补偿对零部件泄漏检测的精度控制J 现代零部件，2013(1)：7576 10刘洋，张永娟，纪春华，等基于数据融合的流量式泄 漏检测温度补偿方法研究J液压与气动，2010(10)： 5255 (编辑李秀敏) (上接第65页) 5 结论 本文对大量的试验可以得到以下结论： (1)头的运动速度以减小动、静触头间的碰撞力，进而在 一定程度上消除合闸弹跳问题。 (2)，使其能够在