（电机与电器专业论文）并联电容器组相控投切技术研究.pdf

并联电容器组相控投切技术研究 r e s e a r c ho ns y n c h r o n o u ss w i t c h i n go fs h u n tc a p a c i t o rb a n k s a b s t r a c t c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ，a l s oc a l l e ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n go rp h a s i n g c o n t r o ls w i t c h i n g ，i s at e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n to fo p e n i n go rc l o s i n go fa c i r c u i tw i t hs p e c i f i ct a r g e tp o i n to na l la s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n tw a v e f o r m c o n t r o l l e d s w i t c h i n gh a sb e c o m ea ne c o n o m i c a ls o l u t i o na n dc o m m o n l yu s e d t or e d u c es w i t c h i n gs u r g e s t h i sp a p e rl a y sas t r o n ge m p h a s i so nc o n t r o l l e dc a p a c i t o rs w i t c h i n g ，a n dr e p r e s e n t st h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o no fp o w e rs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ec o m p o s e do ft h e p r i n c i p l e o fs y n c h r o n o u s s w i t c h i n g o fc a p a c i t o rb a n k sw i mc o n t r o l l e d s w i t c h i n g a n d c o n t r o l l e ds w i t c h i n gs t r a t e g i e so fc a p a c i t o rb a n k s t h ep a p e ra n a l y z e st r a n s i e n tp h e n o m e n ao f t r a d i t i o n a lc a p a c i t o rs w i t c h i n g ，a n dp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo fc o n t r o l l e ds w i t c h i n g t h e o b t a i n e dr e s u l t si nt h i st h e s i ss u p p l yr e f e r e n c e st of u t u r er e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e ro f s y n c h r o n o u ss w i t c h p m a ( p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ) h a ss m a l lm e c h a n i c a ls c a t t e rd u et oi t s f e w e r m o v i n gp a n s ，a n di t so u t r ) u tc h a r a c t e r i s t i c sc a r lp e r f e c t l ym a t c hv a c u u ms w i t c h p m ah a s b e e n u s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y c o n t r o l l e d v a c u u l ns w i t c hi s s u p p l i e d w i t h i n d e p e n d e n t - p o l eo p e r a t e dp m a ，a n dc a p a c i t o rd i s c h a r g es u p p l yc a nb ec h o s e ni nt h ep m a e x c i t i n gc i r c u i t t h u st h eo p e r a t i o ni sc o n t r o l l e db yh i g h c u r r e n tp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tp m ac a l ls a t i s f yw i t ht h er e q u e s to ft h ec o n t r o l l e ds w i t c h i n g ， a n di ti st h ei d e a lc h o i c eo fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g a san e wt y p eo fh i g h p o w e rs w i t c h i n gc o m p o n e n t ，i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) h a s b e e nw i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t ss i m p l ed e s i g n ( b u i l t - i nd r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t ) ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n ds w i t c h i n gs p e e dc h a r a c t e r i s t i c ，i p mh a sb e e nc h o s e na st h ef i r s t c h o i c eb ym o r ea n dm o r ed e s i g n e r s t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi p m i nt h es y s t e m ，t h ei s o l a t i o na c t u a t i o nw i t ht h ep h o t o e l e c t r i cc o u p l e r ，t h eo v e r c u r r e n ta n d o v e r t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o no fi p ma n dt h ef u n c t i o no fi p mi no v e r a l ls y s t e m h e r e t h e d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r ，i nw h i c ht h ed i n t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h ek e r n e l ，i s p r e s e n t e d i nt h i ss y s t e mt h er e a l t i m ea c q u i s i t i o no f t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r si sa d o p t e d ，a n d t h ec r o s s o v e rp o i n to fr e f e r e n c es i g n a li sd e t e c t e db yf i rd i g i t a lf i l t e r t h es y s t e mc o n t r o l s t h el a r g e c a p a c i t yc a p a c i t o rd i s c h a r g et oa c t u a t et h ep m at h r o u g hi p m ，a n dm a k e st h ec i r c u i t b r e a k e ro p e no rc l o s ei na l li d e a lp h a s ei no r d e rt or e d u c et h et r a n s i t i o ni m p a c t t h es t o r e d i i 大连理工大学硕士学位论文 e n e r g yc a p a c i t o r sc h a r g e d o n c ec a nc o m p l e t ea r t0 一c 一0 o p e r a t i o n i nt h e s y s t e m t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h i ss y s t e ma l r e a d ya c h i e v e st h e a n t i c i p a t e de f f e c t ，a n d p r o v i d e ss o m eu s e f u le x p e r i e n c ea n dt h er e f e r e n c ef o rt h e f u t u r er e s e a r c h t h es y s t e mi s u s e f u lt oo p t i m i z et h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ：c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ；i p m ：d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ：p o w e re l e c t r o n i c s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 _ t - 大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 拙年吼午也 大连理工大学暖士研究生学位论文 大连理王大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用蕊定”，同意大连理工大学保窝并鸯国家有关部门或枫褐送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容缡入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 盥年月旦理 l 大连理工大学硕士学能论文 1 绪论 1 1电力系统的无功誊| 、偿 交流电路中的有功功率怒保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换 为其他形式能量( 机械能、光能、热能) 的电功帮。无功功率是用予电路内电场与磁场 的交换、农电气设备中建立秘维持磁场的电功率，它不对外作功，只是协助能量转换。 在歪鬻猿猿下，爱毫设备不毽疆及电力系统取缮蠢凌功率，窝嚣述瑟凝簿无功功率。鲡 果电弼无功功率供不应求，耀电设备就没有足够的无功功率来建立旋常的电磁场，其撼 常运行就会受到端电压下降的威胁。而电网运行的现状是从发电机珲臼高压输电线供给的 无功功率，远远满足不了无功负荷需要，使得无功功率的问题越来越严重。1 2 对予供电企业来说，无功功率不足对电力系统霄如下主要的影响l lo j ；视在功率一定 跨会降低发怒撬弯臻功率输爨；降低输变电设备熬供电能力；增搬线黪毫压损失秘电熊 损耗；毫气设备容量得不裂充分发挥。弱样，弼嘏终端懿功率墓数豹高低，篷壹接关系 到电力网巾功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的电压损失和电魇波动，而且关系到 节约电能和熬个供电区域的供电质量，因此提高功率因数就成了提高电能质量的关键。 由此w 见，随着无功功率问题的日益严重，邋切需要在电力系统巾设置无功补偿装 置来於充嚣劝珐搴。大量的实滁证明，用电容器遴褥无功补偿以提麓凌率因数，既能降 稳毫瓣豹鸯凌臻耗，又笈酶鬣魄掰弱无凌溪裁，鞘辩还能捷蹇交基嚣_ 摹羹瞧力线路载客羹 利用率和减少电压降，是降低黛压器及箕供电线路损耗的一种普遍威用的节电措旌，又 因其价格低廉、操作设备简单、效果明显而得至h 广泛应用。所以目前困内电网大多采用 投入并联电容组来做无功补偿，大部分采用的是静态式的集中补偿。冈 蘸1 1 无臻 偿嚣理灏 f i g 1 ap r i n c i p l eo f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n 1 5 1 。2 荠联龟容器羚骥壤漉囊量蚕 f i g 1 2 c u r r e n tv e c t o ro f r e a c t i v ec a p a c i t o r 并联电容器组相控投切技术研究 如图1 1 所示，设感性负荷需要从电源吸取的无功功率为q ，装设无功补偿设备后， 补偿无功功率为q c ，则电源输出的无功功率减少为q i = q - q c ，功率因数f l | c o s e 提高到 c o s o ，视在功率从蹴少到s 。 投切电容器进行无功补偿的原理如图1 2 。用电设备的负荷总电流i 可以分解为有功 电流分量i ，和无功电流分量i 。( 感性) 。当电容器组投入运行时，流入电容器的容性 电流i c 与i q 方向相反，故可抵消一部分i q ，使感性电流降为i q = i q i c ，总电流由i 降 为i ，功率因数也f l q c o s a 提高n c o s q , 。若补偿的电容电流i c 等于负荷电流感性无功分量 i 。，则j 萨1 。这时负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给，电网只需供给有功功率。 无功功率得到有效地补偿后可以为电力系统带来如下效益： ( 1 ) 降低电网功耗 设输送的有功功率p 为定值，无功补偿后功率因数伽驴得到提高，由p = 4 3 u i c o s g , 可 知负荷电流i 降低，则线路上的功率损耗a p = 1 2 r 降低。当c o s a g f l o 6 提高到0 8 时，功耗 将减少一半。这也是加装无功补偿设备的主要目的。 ( 2 ) 提高设备供电能力 在视在功率s 一定的条件下，由式p = s c o s 厕知功率因数f h c o s 妒提高n o o s e 后所增 加输出的有功功率为a p = s ( c o s , 一c o s q ，) 。以5 0 k v a 容量的配电变压器为例，当功率因 数从0 7 提高n 0 9 以后，其输送的有功功率从3 5 k w 提高到4 5 k w ，大大提高供电能力。 ( 3 ) 减少设备容量，节省投资 设输送的有功功率p 为定值，由式s = p c o s 9 可知功率因数提高后可以减少视在功率 s ，随之可以减小供电设备的安装容量为a p = s ( 1 c o s 伊c o s ) 。既节约了购买设备的投 资，又可以少支付电业部门按供电设备容量计算的贴费。 ( 4 ) 提高电压质量 设线路的电阻为r ，电抗为z 额定电压为玑当电力负荷从线路上集中输出到末端 负荷点时，线路电压损失4 珀向简化计算公式为 。 p r + q x u = 二_ _ 二二l 二= u 2 大连理工大学硕士擎位论文 可见无功功率德到补偿厝，线路输出的无功功率q 久会减少，线路中的电压随之降 低，提藏了电压质量。 ( 5 ) 减少蔫户秀支，跨低成本 无功补偿给电力用户带米的直接经济效益瓶是电费支出豹减少。酋先无功补偿后用 户分担的肖功损耗下降，因此应支付的电费减少；其次国家从合理用电的角度触发，制 定的现行电价政策中允许有荚部部门按照功率因数调整电费。1 2 7 1 1 。2 开关选相投切技术酶援出与意义 1 2 ， 辨荚合分阚暂态过程岛传统抑制方法 投切嗽容器组的过程中，开关的分合闸操作所带来的开关暂态过糯会对配电系统产 生各种予扰，引起过电压和道嗽流，甚至会传播到远端影响其他用户。其暂态现象及其 危害主要蠢： ( 1 ) 毫容器缝戆毫容大，逛鼹特薤疆蕊较夺，会麓辩会窭瑗攥壤缳大熬蹇矮誓态 涌流帮过魄压。电力系统容憾负载的关含易弓 越瞬签过电压、高频潲流与用户铡电压放 大现象，公带来触头磨损增火、设备绝缘恶化及电能质量下降等问题。 ( 2 ) 开关切除电容器组时容易产生电弧的多次蓬燃或重击穿，进而产生严重的过 电压，在娥严重情况下理论上w 能出现3 、5 、7 储的过电压。过电聪容易破坏设备绝 缘、敖大麓次谐波及手撬灵敏度高黪毫气缓各踅露王终等。 开关会分屠掰孳| 起豹蜇态过程在电能蒺囊簧碧乏越来越严梧静背索下已经零 超入们 的重视。传统上一般采用预播电阻、预插固定电抗器、安装r - c 阻容吸收设备、后备氧 化锌避雷器( m o a ) 等方法乘削弱这些暂态过程【2 - 7 】： ( 1 ) 预插电阻 预援电阻法剩焉电阻鲍隰照终翅蕊速振荡过程鲍衰减，主要震予镲镑l 关合电容嚣缝 获零| 嫠戆瓣态净毒。该法怒会鬻j 童程分藏霆步：会瓣藏电容器缓嚣爨；颈摇毫辍与毫容 器组串联投入；短路预插电阻# 旁路预插电阻，把较严重的暂态现象分割成两个或更多 个较弱小的过程。预插电阻能搬操作过电压与合闸涌流限制在一定范围内，但有如下缺 点：增加了开关的复杂性与成举；提高了系统投资与维修费用；限联效果不稳定，分散 性大；消耗电能两产生大量的热戆。 ( 2 ) 鞭摇毫惑 颈播嘏感法的原理及藏翔场合与预插电阻法必似。预插电感并不消耗系统能量，因 此可以在歼关触头闭合7 1 2 个工频周期后再将箕旁路掉。采用预播魄感可以增加电容 一3 一 并联电容器组相控投切按术研究 器组关含时的阻抗，从而有效减少合闸涌流，较之预插电阻成本更低、更可靠。其不足 之处在予：安装调试复杂；搽律孵会出现邀火花：鬟形戒振荡回路，壤勉系统噪声。 ( 3 ) 黏e 疆容吸收装鬟 r - c 阻容吸收装置利用增大被保护设备上的弗联电容器酌办法浓降低过电压的幅 值。同时并联电容器的另一个煎蒙功能在于它可以平缓过电压波形的陡度，与电容器并 联的电阻r 则起着释放部分能爨的作用。但其不足之处在于：存在绝缘事故的隐患点： 易成为谐波污染源。 ( 垂) 裁缓锌避霉器( m o a ) m 。j a 凝有可靠性高、逶流容量大、残压低、响应速度快、无工凝续流、不用串联 间隙以及降低被保护设备的绝缘水平等优点。采用m o a 之后，可使棚对地的操作过电 压限制到1 6 1 8 倍相电压，备相间的过电压限制刹1 7 1 8 倍线电压。其不足之处主要 有：阀片容易受潮劣化，温度上升产生有功损耗，形成热崩溃，严羹时将导致m o a 损 棼或瀑烽，避瑟雩 发丈蘑积傍魄搴蔽。 2 - 7 2 2 懑窭器维选相投切技术凝英饶点 如前所述，开关合分闸操作的暂态过程会带来不可忽略的负面效艨，为了满足电网 发展和电力用户对高质量、高研靠供电的需求，圉前所采用的传统措施不能从根本上解 决问题，予是人们提出了选棚投切技术，选相投切技术的概念最早出瑗鼍：1 9 7 0 年代， 其实凄楚壤攥不嚣受载( 蘩势驳懑吝器缓、絮空羧逡线、空载变压嚣麓) 戆特瞧，控裁 开关在毫聪或电流的最佳稳愈宠成合旃或分阕，实现无渖击的平滑过渡，齄有效地翻鹗 开关瞬态电磁效应。 近年来随着电力市场的党静曰趋激烈，要求进步减少设备费用，延长维修周期， 提高供电质黛，提高系统运行的经济性和可靠性。选相投切技术日盏受到制造部门与用 户的关注，瓣羲已成为智能纯魄器瓣研究热点之一】。选糟授切技术窦1 9 9 0 年代实薅像 疆来，在歉荑市场豹傻焉数爨鸯范围逐邃扩大。1 9 9 8 年，国际大毫瓣会议( e i g 匿) 鼹 选耜控制尚愿开关的优缺点进行了讨论，根据分析计算结果和现场应用状况证明了其经 济性、可行憔与必要性。选相系统的费用相对低廉，只需在电力系统现有设备的基础上 做简单修改，辅以少量的硬件设铸，更新相应软件算法，就能用于选棚投切。 选穗投仞技寒具有如下优点：首先，可以省撵念溺电阻、避雷器簿辅助设备，降低 残零，撩髂麓霞，经济效蓥茧蘩。其次，霉羧捷蹇奄缝震量与毫力系绫稳定毪，减弱霹 4 大连理工夫学硬士学繇论文 耀户设备熬；辔遗，祗缓交电设备的老化，麓纯继嗡探护装置。霉次，熊够改善辩关运行 祭终，簿鬣震弧室蠹熬及震黧懿滠褰纛觳螯爨壤，藏轻瑟美鼯箨挺骥怒袁与魅基爨蚀， 爨羲瑟蒺释鹣趣寿鑫黪臻蘩溪麟。最嚣，帮豁撬禽舞美鼗裳絮套，舞辩黪宓，赛您菱爨等 熬爱穿，降撩超离疆黎统懿绝缘水平等。潮 1 2 3 实现选相投切的技术荚镳 选攘投韬搜术赡豁实现爨童蘩嚣索燕搿美戆撩动黠阍褥雀势数憾，避鞋预测帮控 镦。在避磐逸粳爨露辫，要蹙努鸯悫嚣荧黪藜爨缝缀籍毪、套分藏麓搀游篷菇获缒爨鬈 绕耱囊譬荧键霪素。 理论分桥与现场数据垮袭黪选裙投秘羹慧欷穗瀵愆效果，开关奢分阍对阕熬分敬链 威限制谯l m s 以内。影响开燕动作时间的因索主辫有储能方式( 如弹鬻、液压镣) 、撩 制电压、磷壤滠度、操作次数、老化效艨、阉璧对觏镲。目秘国终簿愿领域的鞠按开关 蘩遽慕零辫簿捺撞黢滚莲撬稔，滏1 1 罴c i g r et f l 3 0 0 。1 镶鸯黪器荚捺饕霹麓统诗绫 黎豁麓。获褒 。l 虿霉凌弹簧、滚蕊蕊辏在被蹇藏遵翁嚣整澄装与控裁惫器f 番餮较稳定， 不过骞簸撩簸燔荨搽簿次数，特囊是筒鬻簿褥瓣麓律稳定拣夔彩躺较大，这黧嚣素鸯 动作稳定性之间呈复杂的非绒懔关系，尚光通用的数学模型，有待逃一疹的研究。 袭l 。le l g 灸瑟t f t 3 0 0 , 1 美予嚣荧瓣髓瓣惩镶麓熬缓诗 t a b , l 。l s u m m a r y o f s w i t c h 掣蹦端像黔喇翡黪a c c o r d i n g 铅氆g 麟粥3 鼹l 嚣荧粪鍪s 拶嚣美 辊梅装型 液鼷辩籁 操作类型分闸合闸分闸 合闸 t c - 4 0 毒鹚o e 3 0 辩，o c 7 0 j i s o e3 0 弘s o c7 0 p s o c u c - 1 5 1 0 鬻 i - 0 。5 m s士 ，。5 m s士0 。5 m s蕊，5 m s n s - 5 镯 士0 。5 m s圭2 5 m s鞠一5 m s鲢5 m s 操作次数女i 0 m s 圭2 ，5 m s出1 0 m s士l 。0 m s 阑灏时间 士1 0 m s士l o r e s 嚣荚会瓣遵程串，登艇笑鬻蓬枣予慕赣舞馕鼹廷法瓣受魏麓壤爨瓣德发雯骥纛雾凌 蒙，簸嚣鹫濂在羲鬻溪椽鹱霞会瓣。舞袋羲袁雾彀瑟轰嘉，鞭爨嚣辩瓣长；美龠啜热瀵 磁的g 爨太，翁遮藏穗鞭奔矮番犯、融头缴浊。施缘强度下降率 ( ) ( 哭雾 u a ：u b u c l l 嚣 一氛c q ； 纽一-t d 。习 k 兰坠爿= = = 丽= = 爿一 图2 6 星形中性点不接地三相电容器组选相关合时序图 f i g 2 6s c h e m a t i cs y n c h r o n o u sc l o s i n gs e q u e n c e 控麓系统实辩捡溅u a _ 遭零赢，在辩麴浚戮会阕獾令磊，按式( 2 i 0 ) 分鬟谤募塞三 相开关在图承目标相位闭合触妖所需的最小延时： t v a = 1 f t o t e a m o d ( 1 2 f ) 一t c + 1 0 0 t a b = 1 f t o f m o d ( 1 2 f ) 一t c + 5 0( 2 1 0 ) it a c = i f 一瓦一t d c m o d c l 2 f ) 一t c + 3 3 3 式孛厂受毫溺频率，岛隽撩终臻令疆枣零熹嚣亥l ，貔r 酝彰，嚣e j 免嚣笑三稳合蘩辩蔫， 您为c p u 计算时闽。 大连理工大学硕士学位论文 图2 7 选相分断时序图 f i g 2 7s c h e m a t i cs y n c h r o n o u so p e n i n gs e q u e n c e 电容电流总是超前电容电压9 0 0 ，即电容电压峰值时刻对应电容电流过零时刻，电 压过零与电容开断时电流零点之间具有固定关系。因此在选相切除电容器组时可选择电 压为参考信号。如图2 7 ，瑚为参考信号，燃弧时间设为f 。，三相电容器组的选相切除 顺序为a b c 。先切除a 相，延时1 4 工频周期后，b 、c 两相电流同时衰减到零点，同 时切除该两相电容器组。对于参考电压零点相位，三相电流过零、电弧熄灭相位滞后为 9 0 0 、9 0 0 和1 8 0 0 。按式( 2 1 1 ) 可算出在图示目标相位选相分闸所需的最小延时： t “= n 1 2 ，一q o “+ t o 。) r o o d ( 1 2 ，1 + 5 0 一t o t c t a s = 胛2 f 一( r 棚+ f 。) r o o d ( 1 2 v o + 1 0 一t o t c ( 2 1 1 ) 【t a c = 雄2 ，一( r 叩c + f 。) r o o d ( 1 2 f ) + 1 0 一t o t c 式中t o v x ( ：壮叫，e c ，) 为开关三相分闸时间；t o 为命令距离此前零点的时间；死为c p u 计算所需时间； 为保证t a & o 的最小整数，取1 或2 。 ( a ) 随机关合( b ) 选相关合 图2 8 随机与选相关合电容器组的电流、电压波形 f i g 2 8b u sc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e sa f t e rc a p a c i t o rb a n k sr a n d o ma r i dc o n t r o l l e dc l o s i n g 3 o 3 m o d喜吨，量以 并联电容器组相控投切技术研究 2 3 真空开关的永磁操动机构 实现电子操动首先要解决的问题是能量转换问题。传统的中压真空开关主要采用弹 簧储能机构和直流电磁机构。弹簧机构的动作能量是弹簧势能，其特点是结构复杂、运 动副件多，动作时间分散性大；而经典的直流电磁机构，由于对电源功率要求高，经济 性、可控性和可靠性都比较差。这些特性决定了传统操动机构很难实现电子操动。 近年来新型永磁操动机构得到了迅速发展，它实现了与真空开关的完美结合，为同 步开关提供了实现基础。图2 9 为同步开关中采用的双稳态永磁机构结构原理图，永磁 结构主要由8 个部件组成：1 为静铁心，为机构提供磁路通道，采用电工铁材料的圆形 结构；2 为动铁心，是永磁操动机构的主要运动部件，一般采用电工铁材料构成；4 、5 为永久磁铁，为机构提供保持分、合闸位置所需要的闭锁力；3 和6 为操动机构的合闸 线圈和分闸线圈：7 为永磁操动机构的驱动杆，是操动机构与断路器传动机构之间的连 接纽带；8 为位置传感器，提供永磁机构的分、合闸状态。 a 合闸状态 c 分闸状态d 合闸过程 1 一静铁心2 一动铁心3 合闸线圈4 、5 一永久磁铁丘一分闸线圈 7 一驱动杆 8 一位置传感器i 一永磁体磁场分闸励磁磁场卜一台闸励磁磁场 图2 9 双稳态永磁机构结构原理图 f i g 2 9t h es t m c t l l r eo f p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r s 1 4 尊一鲍 大连理工大学硕士学位论文 当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中没有电流通过，永久磁铁利用动、静铁心 提供的低磁阻通道将动铁心保持上或下极限位置。当永磁机构处于合闸状态时，永磁体 4 、5 产生的磁力线的分布如图2 9 ( a ) 所示。当分闸线圈6 中通以直流电时，该电流产 生磁力线方向与永磁体在静铁心上端的磁力线方向相反的分闸励磁磁场i i ，同时使动铁 心2 受到向下的作用力。随着分闸线圈中的电流增大，动铁心所受的吸力之和小于动铁 心上的机械负载( 作用在动铁心上的触头压力) 时，动铁心开始向下运动。随着动铁心向 下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间出现空气间隙，上端的磁阻增大，下端磁阻减 小，于是动铁心作一加速度增大的变加速运动，直至分闸到位。位置传感器8 反馈信息 到控制电路，分闸线圈6 断电，完成分闸过程，并依靠永磁体产生的磁场，使铁心保持 在分闸状态。合闸过程和分闸过程相反：当在合闸线圈3 中通以直流电时，合闸线圈中 的电流在下部间隙产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减少，当吸力小于动铁心上的机 械负荷时，动铁心向上运动，最后达到合闸位置，动铁心重新为永磁铁吸合，保持在合 闸位置，合闸过程结束。 由于永磁操动机构上述突出的优越性，近年来基于永磁操动机构的真空开关得到广 泛研究和应用【2 5 - 3 0 l 。1 9 9 7 年a b b 公司推出了世界上第一台新型商用永磁操动机构真空 开关，型号为v m l ，图2 1 0 为v m l 型真空开关的结构图即。 1 主轴2 绝缘拉杆3 触头压力弹簧4 软连接5 下出线端6 环氧树脂包封 7 真空灭弧室8 上出线端9 手动紧急分闸 1 0 分闸线圈 1 1 动铁心 1 2 永久磁铁1 3 厶闸线圈1 4 位置传感器1 5 行程调节 图2 1 0v m l 型永磁操动真空开关结构图 f i g 2 1 0t h es 加】c t l 嘴o f v m lv a c u u ms w i t c h e s 从永磁操动机构的结构和工作原理可知，永磁操动机构具有以下优点【1 5 , 1 6 】： 1 ) 与真空灭弧室连接简单紧密，运动部件减少，大大减少了开关动作时间分散性， 并联电容器组相控投切技术研究 为真空开关的同步操作提供了行之有效的执行机构。 2 ) 磁系统与励磁电路的良好配合可使操动机构有优良的负载输出特性，满足真空开 关机械特性的要求，有利于减少开关的触头弹跳。 3 ) 通过对励磁线圈中的电流控制，可以有效实现机构的启动时刻精确控制，为电子 操动的实现提供保证。 4 ) 永磁操动机构采用无触点位置传感器检测开关的分合闸状态，解决了传统操动机 构的辅助开关触点弹跳导致熔焊或烧毁问题，进一步提高了开关的可靠性。 图2 1 1 同时示出了真空开关合闸过程的负载特性、弹簧机构及永磁机构的行程f - 力f 特性。真空开关触头行程很小，从合闸起始位置至触头刚闭合位置所需合闸力较 小，一旦触头闭合，触头弹簧开始压缩，所需合闸力突然增大，因此真空开关的反力特 性在触头接触瞬间有一大幅正向突变( 曲线1 ) 。弹簧机构依靠弹簧储存能量的释放使 开关合闸，其出力总是一开始大，以后逐渐减小，这与真空开关负载特性正好相反( 曲 线2 ) ，只有经过凸轮合理设计和连杆适当配置才能与真空开关的反力特性较好匹配， 结构与运作过程繁杂。永磁机构在合闸过程中，随着动铁心的移动，空气间隙减小，所 提供的作用力越来越大，直到行程终止由永磁体提供一个有效的力使开关保持在合闸状 态，其出力特性非常接近真空开关的负载特性，易获得较理想的速度特性( 曲线3 ) ， 可以与真空灭弧室直接相连，使零部件数减到最少，并提高产品的结构刚性。 冬 【 o 3 图2 11 真空开关负载特性与操动机构出力特性 f i g 2 1il o a dc h a r a c t e r i s t i co f v a c u u ms w i t c ha n da c t u a t o ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c 真空开关的动触头刚分速度越高越有利于开断电流。弹簧机构分闸时参与运动的零 部件很少，系统的运动惯量增加不多，便于提高刚分速度。而永磁机构分闸时动铁心参 龇触雠彳 载力力负出出的的的关构构 开机机扒 空簧磁 真弹永 、 、 、 1 2 3 、 大连理工大学硕士学位论文 与分闸逡动，增加了运动惯凝，永磁体的吸力在分闸过程中也起着阻碍分闸的作用，对 提赛雕分遮度苓利。另羚，痰磁穰梅分阚操馋动铁心速度透鬻是先疆嚣浚，在运动到分 窝位置辩猁最大，若刚分遥发炎莰，羹 l 荔产生较大豹撞者。在分阉穆经方瑟，永磁撬梅 不如弹簧枫构，但可用永磁合闸、弹簧分闸的混合结构解决此问题。永磁机构分闸过程 中，在动触头与静触头分离靥，给分闸线圈通反向电流或给合闸线圈通过正向电流，可 减缓铁心逡动速度，起分闸缓冲的作用，减小操作过程中的机械震幼，完善双稳态永磁 机构与冀黛嚣关鲍特性配会。强6 l 交簸渊磅究表甓真空群关鑫冬褪嫠分葱与最终蠢瓣速度意义重大。霹蔽定簸头分鸯籁 加速阶段( 1 0 k v 领域约为3 4 m m ) 的平均速发为起始分闸速度取代常规参数中的平均 分闸速度；而合闸速度可规寇煅终3 4 m m 的平均遮度为最终合闸邀度取代常规参数中 的平均台闸速度。 2 4 永磁毫琏构操动时间分散性 虽然7 爻磁祝梅本身动 箬院较稳定，蓬羚莠祭传( 主要是环境溢璇秘电容电压) 交纯 对的操渤时间仍有一定的分散性，需采取措施以满足选相控制的要砑乏1 1 3 a 4 1 。 永磁机构一般通过储能电容器向合分闸线圈脉冲放电产生磁力米驱动铁心运动，其 等效电路如图2 1 3 ( a ) 。图中电源e 为直流稳压电源，对储能用电解魄容c 浮充电，组 成系统的熊源部分，电力电子努关s 控制其通凝状态。l 为永磁枧橡会、分阐线圈的电 感，箕毽怒铁心蕴萋熬蠡数，究或电磁橇城能懿转换，r 蔻线瑟内瓣。蘑3 。4 ) 为动露 时序，j 为勋磁电流；为运渤轨迹 d 为铁心总移程) ：t l 是触发时羝；毛为铁心始动对 间；厶是邋幼终了时间。 盈2 1 2 承磁祝掏的基本等效奄路和动作时序 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c t d ta n do p e r a t i n gs e q u e n c eo f p m a 下谣以开关的关合过程为例分析永磁机构的揉动精度及其影响嗣索。励磁电流可分 为上升段和下降段进行分析，w 分别由式( 3 3 ) ( 3 6 ) 来描述： 并联电容器组相控投切技术研究 f ：曼s i n 一f 1 ) ， f i 墨e 一，脚- t i - x 2 ) ， ( o z 2 )( 2 1 3 ) 几，2 。 舭、玄一毋 ( 2 1 4 ) ；r l ( 2 1 5 ) 一般认为t 3 4 l 1 c ，即式( 3 5 ) 可转化为 几 舭历 ( 2 1 6 ) 分析上图可知，对于可靠的励磁，删不能太小，尤其对于合闸，应有删露褂。 在满足这一条件下，亿一纠应越小越好。根据图示关系可知开关动作的总时延可以表 示为 2r l + f 2 + r 3 ( 2 1 7 ) 其中t 2 = - 巧为励磁时间，与电路参数及负载相关；匀= 如岛为铁心运动时间，除 了与电路参数及负载相关外还与铁心运动阻尼相关。 一般电子控制触发延时t l 小于1 0 “s ，可以控制其时间分散性a t ，小于i i i o o p s 。励磁 时间幻由开关的关合负载和励磁电流i 确定。由于真空开关的关合载荷是恒定的，永磁 机构运动副配合公差所产生的时间分散性可忽略，因此影响t 2 的负载是确定值。在铁 心位置确定时是常数。变化量来自温度变化，主要引起电阻值和电容值的变化，电阻对 厶及国的影响可忽略不计。但在电容方面，温度对其容量的影响不容忽视，即如主要来 自电容器的容量温度特性，其在超出室温的工作条件下，减小必要依靠软件或其他硬 件方式进行温度补偿。容量的温度特性可表示为 了a c ：( c - c 了o ) _ x l 0 0 ( 2 1 8 ) l ， l 0 a c 的单位是p p m 。c ，p p m 是百万分之一。a c 与电介质相关，一般在2 0 0 3 0 0 ，电 介质一定，该值也就确定下来。 6 主要与铁心运动阻力和阻尼相关。运动阻力在开关和电路定型后可以认为的不变 的，但运动阻尼可能由温度变化引起阻尼系数的改变，形成铂。运动阻尼包括摩擦阻尼、 粘滞阻尼和空气阻尼。通过合理的结构设计，可保证系统的机械阻尼系数在一定操作周 大连理工大学硕士学位论文 期内基本不变，使鸽小于微秒爨级。在开关动作游千次数后，公麓的增加及材料的磨 损，可傻疆尼系数有变，这嶷在控毫方嚣考虑麴跃定麓校正。【2 - l 校撂教上分耩，解决各酃努豹交纯嚣素，毙众有可齄迭裂徽移缀豹操动精度，满蹩 相控开关辩操动机构稳定性的瑟求。 2 5 本耄小结 本誊详细介绍了选相投切电容器组的基本原攥，同时仿真开关投切惫容器组的暂淼 遘程，谚囊续莱获理论主 蒌骥了选襁投留薮术掺铤磐态淬毒夔突窦铙势及箕霉孬缝与黪 要经。戳勰形中性点不接趣情形为铡理论计算与傍真分拆三耜电窖嚣缀选相控制策略， 结果表明糟投切相位偏差小予1 m s ，则可使开关暂态冲击削弱到很低的水平。永磁机构 作以其良好的动作稳定性，岛真空开关匹配的出力特性使得其成为棚挖开关的理想机 构。开关的机械特性、电气特性与控制系统可靠饿是实现选相投切的关键因素。着重分 橇了影确农磁枫褥动终分数懿黔霾素，逶过一定方法戆校正霹荻使庆磁撬梅涟是选秘授 甥静精度黉求。 一l 亨一 并联电容器组相控投切技术研究 3 永磁机构同步控制系统的软硬件设计 3 。 辩ll 系统豹麓单介缨 s v c i i 悬课题组前期开发的以s c r 方式实现相控投切技术的控制器，下面对s v c r 选项控制系统做一个简单的介绍： l 2 i s v c i i 怒以t i 公司的定点型高速数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核 心静嗣步羧魏系统器，系统突辩采集处理毫参数，囊m a x l 2 5 实时诗箕滋参考售号熬过 零点数及逡行f 鼹诗算，嚣辩等待分舍阕簸发命令躺虱来，当念令剜采辩，根据动雩# 指 令与负载类趔在规定时刻给出触发信号，通过电予驱动装置操动永磁机构，采用的方式 为将大容鬣的电解电容器通过控制可控硅( s c r ) 对励磁线圈放电，从黼驱动永磁机构， 使断路器动作，使断路器在所期耀的相位上可靠地分断或关合以减小衡态冲击。同时系 统可以通避r s 4 8 5 总线接口与酝变电自动化系绕避零亍通傣。通信接翻巍m a x i m 公霹 荣光毫疆鬻麓m a x l 4 8 0 3 毒波毫予懿u 4 8 5 a 转换器实瑷，逶过r s + 4 8 5 慧线将系统 参数上传剿控制中心，或者中断接收控翩中心的遥控指令，提高了抗干扰能力与传输距 离。图3 1 为s v c - i i 的系统功能框图。 嚣3 。ls v c q l 控截系统黪熬钵结擒挺图 f i g 3 。1s 缸 u e m r ed i a g r a mo f s v c 攒c o n 台o ls y s t e m s c r 方式的优缺点； 优点： 1 可控硅的稳定性很好，耐联、耐流等级高，短时阈内能稳定承受a 僚额定电流。 2 s c r 驱动麓攀，魅发毫路雾荔交瑷，簿驱动功率爨求不毫，魅发稳定。 大连理工大学硕士学位论文 3 技术成熟，价格便宜，应用广泛，随着工艺的进步，其价格也越来越便宜；货源稳定， 窑荔购哭。 缺点： 1 s c r 为带控期间，只能控制其导通，不能控蒂d 兼断，这是s c r 黻教命的缺点，它极 大的限制了s c r 的应用场合。 2 体积偏犬，同样电流电压等级的s c r 要比i g b t 大很多，不利于安装。 3 。2 系统耀 拳结梅设计 鞠3 2 选柽控裁系统豹硬搏结擒耍 f i g 3 2s m c t 枷蛩d i a g r a mo f s y n c h r o n o u s c o n t r o i i e ds y s t e m 本论文在s v c - i i 同步控制器基础上开发了基- 于i p m ( 集成7 i g b t 的智能功率模块) 的并联电夺器组相控投切控带4 器。图3 2 为永磁机构弼步控制系统硬件结构图，同步控 翎系统圭黉囊主控模袭、信号簸璎采集模块帮电子驱魂模块三部分缎成，系统豹工锋溅 程为：倍謦楚理采集模块采集魄弼信号，逶_ 蓬信母瀵理电磅涛电溺瀚参考信号转换或 m a x l 2 5 所能接受的电压信号，将m a x l 2 5 模数转换后的数据送入到斑控模块 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d s p ) ，进行数字滤波处理，从而计算出参考信号的过零点，在接到 分合闸命令时计算各相分合闸