126kV高压真空断路器永磁电机操动机构研究

【摘要】为满足智能电网与开关设备智能化的发展需求，提高高压断路器的操控性能及运行可靠性，本文提出应用于高压真空断路器的永磁摆角力矩电机（PermanentMagnetSwingAngleTorqueMotor，PMSATM）操动机构。该操动机构利用PMSATM驱动断路器动触头进行分合闸操作，响应速度快，优化预定行程曲线，且易于实现通讯、实时监测和故障诊断等功能。课题以126kV高压真空断路器为研究对象，从断路器开断与关合的运动特性、PMSATM设计、运动过程分段调节的方法、动态性能测试及实际工程应用方面进行深入研究。本文主要做了如下几个方面的工作：（1）研究真空断路器与电机操动机构运动及动力配合特性。采用虚拟样机技术建立真空断路器电机操动机构的运动及动力学模型，通过实测数据验证模型的正确性。基于126kV高压真空断路器的机械特性参数要求，提出动触头分合闸运动特性的变化范围，采用分段函数和虚拟样机的方法建立不同分合闸速度下绝缘拉杆行程的数学模型，设计模型不同阶段的速度特性。分析系统中各部件的结构、运动变化规律及部件间的制约关系，给出驱动电机在分合闸过程中转角变化范围、等效转动惯量和负载力矩特性等。（2）基于永磁电机设计及瞬态有限元理论，建立PMSATM结构设计、参数选择及动态性能的计算模型。提出以峰值转矩、峰值转速、转角范围及短时工作状态等为设计要求，采用结构及参数设计与动态性能计算相结合的方法对PMSATM进行设计，给出定转子结构、励磁方式、转矩常数、电动势常数、时间常数及极对数等选择依据，建立PMSATM场-路-运动耦合的时步有限元模型；研究长径比、匝径比、永磁厚度及极弧系数对PMSATM转角和电磁转矩特性的影响，通过仿真与部分实测数据的对比，验证计算模型的正确性。（3）研究PMSATM在开断与关合过程中分段调节的实现方法。考虑驱动电机在开断和关合过程不同转角阶段的转速变化，针对操作电压、气隙长度及电枢绕组结构分别提出分段电压起动电机、变气隙结构电机和非对称绕组结构电机，给出三种电机的结构特点、设计方案及转角特性变化，通过部分实测数据验证方案的合理性，且其动态性能满足真空断路器的操作要求。对比分析表明，分段电压起动电机比变气隙结构电机和非对称绕组电机在不同转角阶段具有更好的转速特性。（4）研制PMSATM及驱动控制系统样机，完成高压真空断路器与实验样机的动态特性测试。对比不同电源电压和相同条件下重复性操作对动触头行程特性的影响；采用分段调节驱动控制器PWM输出占空比的方法，实现PMSATM在分合闸运动过程的分段调节；通过测量结果与计算结果对比，验证PMSATM理论设计方法及动态性能计算的正确性和适用性。
【作者】李永祥；
【导师】林莘；
【作者基本信息】沈阳工业大学，高电压与绝缘技术，2013，博士
【关键词】真空断路器；开断与关合特性；永磁摆角力矩电机；动态性能；机械特性；

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