基于高压断路器电机操动机构的位移分段控制策略
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究人员邓赟、武建文等，在2018年第15期《电工技术学报》上撰文指出，高压断路器电机操动机构提高了断路器运行的可靠性及可控性，在满足断路器操作性能要求的前提下，为了工程应用中简便实现对电机操动机构运动过程的控制，该文提出一种通过修改给定量的分段控制策略。
首先，基于三相永磁同步电机直接驱动断路器的操动机构，分析合闸过程中驱动电机的运动特点，根据其运动特点及断路器要求的性能指标将运动过程分为三个阶段。然后，在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制。最后在搭建的模拟平台上进行实验研究，分析对比不同阶段控制参数的选取对控制性能的影响，确定控制参数实现分段控制。
结果表明，所提出的分段控制策略可以根据不同运动阶段的控制要求实现对电机操动机构的调控，且参数整定方便，工程实现简单，是高压断路器电机操动机构实现高效动态控制的一种可行有效的控制策略。
高压断路器是电力系统中重要的保护和控制设备，操动机构是断路器的重要组成部分，它不仅要满足灭弧特性对操动机构的要求，而且要保证断路器长期动作的可靠性[1-5]。传统操动机构的运动零部件较多，机械结构复杂，工作可靠性和运动可控性不佳。
统计数据表明，高压断路器各部位发生故障所占比例中操动机构的故障率最高，操动机构的缺陷和故障对电力系统的安全运行构成威胁，因此研制一种可靠性高、可控性好的新型操动机构具有重要意义[5-7]。电机操动机构作为一种新型操动机构，将传统操动机构中的驱动部件简化为唯一的旋转电机轴。这种操作方式简化了运动系统，改善了传统操动机构操作可靠性，同时利用电机良好的伺服性能，实现对开断和关合过程的控制和调节，获得理想的断路器运动特性，符合断路器智能化操作的发展方向。
目前，国内外专家学者对断路器电机操动机构运动智能控制进行了大量的研究。国外，ABB公司已研制出用于瓷柱式断路器的电机操动机构[8-10]。国内部分研究所及高校也对电机操动机构技术进行了理论计算和实验研究，但是对电机操动机构的推广应用还在进一步的研究中。
文献[11]以开关过程中触头速度的最优跟踪为控制目标，提出基于最优二次型学习算法的永磁同步电机操动机构速度控制方案，并进行了仿真验证。文献[12,13]分别提出应用于高压断路器电机操动机构的单神经元自适应PID控制算法和模糊免疫自适应PID触头速度智能控制方法，并开展了相关实验研究，为电机操动机构触头运动过程智能控制奠定了理论基础。
在电机操动机构实际应用中，充分发挥驱动电机良好的伺服性能，实现高压断路器运动过程智能化控制具有重要意义，即在满足高压断路器触头分合闸操作特性基础上，降低合闸弹跳及分闸反弹，提高开断性能和开关寿命，大量学者也进行了相关的理论和试验研究。
文献[14]提出GIS隔离开关触头运动过程智能控制的构想，建立分段式PID控制方法计算模型并完成相关仿真。文献[15]将动触头的运动过程分为三个固定的阶段，在实验样机和高压断路器的空载配合试验中，采用在不同阶段改变输出电压的方法实现对驱动电机运动速度的调节。
文献[16]将断路器的运动过程分为加速-匀速-减速三个阶段，通过双闭环矢量控制实现对动触头的运动控制与调节。文献[17-19]研究了恒转矩控制方法以实现电机在允许的恒定最大转矩下加速运动，充分发挥电机的输出能力，提高动作的快速性。
综上所述，操动机构的发展标志着断路器控制性能的提高。充分发挥新型电机操动机构良好的操作稳定性和灵活的随动调控性，实现高压断路器的可靠控制及运动智能控制，对高压断路器的发展具有重要的理论和工程实际意义。
现有的实验研究中针对电机操动机构运动过程的控制方法研究尚处于探索阶段[20]。在实际应用中，通过闭环伺服调控系统可以实现对触头运动过程的调节，闭环调控过程的参数整定是一次性整定，需要依据实际效果和操作者的经验，调试过程较为繁复[21]。
此外，对于高压断路器理想的触头运动轨迹暂无明确来源，不同工况条件下的电路参数不同，因此智能化断路器的运动参数也不同[22-24]，为实际操作中高压断路器的智能化操作带来一定的难度。
基于目前的研究现状，本文提出一种通过修改给定量的分段控制策略，以实现对电机操动机构不同运动阶段的控制和调节。
首先，基于高压断路器电机操动机构的本体结构，通过实验测试的电机操动机构合闸过程中电机转角位移曲线，分析电机操动机构合闸过程的运动特点。根据其运动特点结合断路器的性能指标将运动过程分为三个阶段（包括起动阶段、恒速阶段、缓冲阶段），在不同阶段通过修改位移给定量的方式实现分段控制。最后，通过实验深入分析不同阶段控制量对断路器关合性能的影响规律，获取控制参数实现分段控制，优化分段控制策略。
实验结果表明，所提出的控制策略可根据断路器要求的性能指标实现自动分段控制，工程实现简单，具有一定的可行性和优越性。
图1 126 kV六氟化硫断路器电机操动机构结构
本文基于对电机操动机构合闸过程的分析，将其运动过程分为三个阶段，采用不同阶段施加不同位移给定的分段控制策略以实现对电机操动机构运动过程的控制与调节。深入分析不同阶段控制参数对控制性能的影响确定控制参数的选取，得出如下结论：
1）分段控制策略根据断路器指标参数自动生成不同阶段的位移给定曲线，自动切换和调节，控制方法简单，控制参数整定方便，工程易于实现。
2）起动阶段位移给定曲线的陡峭程度和储能电容电压共同影响电机起动阶段的延迟时间。位移给定曲线越陡峭，延迟时间越短，储能电容电压跌落越多，延迟时间越长。因此，综合考虑储能电容电压的变化，选取陡峭程度更大的位移给定曲线可以缩短响应延迟时间。
3）恒速阶段位移差值影响电机转角速度，位移差值过大运动过程中电机加速上升，位移差值过小电机出现降速跌落的现象。合理选取恒速阶段起始时刻位移差值可以改善恒速阶段电机操动机构运动过程的稳定性。
4）缓冲阶段位移给定曲线的斜率降低可以减小抖动过程的偏差，选取斜率较缓的位移给定曲线，可以改善抖振现象，减小触头抖振对机构的冲击。
本文提出的位移给定分段控制策略可行有效，是高压断路器电机操动机构实现高效动态控制的一种有效的控制策略。