郑州大学程显教授团队在真空开关永磁操动机构控制系统方面取得研究进展

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基于永磁操动机构的真空开关被广泛应用在电力系统中，以确保真空开关在不同环境下操动的精度和动作时间稳定，可以有效提高电力系统的稳定性。郑州大学电气工程学院、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心的科研人员程显、袁晓东、葛国伟、朱剑鹏，在2021年第21期《电工技术学报》上撰文，对真空开关操动机构的控制系统进行了相关研究，实验证明所研究的控制器可提高机构动作的稳定性和有效性。

基于永磁操动机构的真空开关被广泛应用在电力系统中，提高开关动作时间的稳定性和动作特性的可控制性，对电力系统中相控开关技术的实现具有重要意义。相控开关技术可以有效地削弱电网中高压开关开合闸时产生的涌流和过电压，有效提高电力系统的稳定性。永磁操动机构动作部件少，中间转换和连接机构也很少，极大地提高了动作的可控性，因此永磁操动机构为实现真空开关的智能控制提供了可靠支持。

真空开关永磁机构动作时间的分散性是指对同一开关机构，一般采用充电电容当作控制电源，由于每次动作时，控制电压很难保证都相等，难免会有波动，必然会影响电流的大小，最终造成永磁机构分合闸的时间波动及特性曲线的变化。控制电压的变化作为影响动作时间稳定性的关键因素之一，它的波动必然会引起动作时间的偏差，从而对整个电力系统的稳定运行产生负面影响。因此电压变化引起的时间误差是永磁操动机构亟需解决的问题之一。

此外，频繁地充放电及连续的动作，将导致电容的容量降低，回路中接线端子处的接触电阻也会增加，这些难以预知的变化都会引起线圈电流的变化，对开关的动作造成难以预测的影响，使开关动作分散性变大。

对于单机构而言，控制电压变化、外界温度及触头磨损等问题是无法避免的，也很难进行控制调节，因此降低机构动作时间的误差，需要考虑如何抵消这些环境因素带来的影响。目前的研究工作就是加入智能控制系统对操动机构的动作进行控制，得到不同电压环境下的动作时间，以及不同环境温度下的机构的动作特性，对比未加入智能控制系统时开关的动作特性，从而验证加入控制系统后对动作稳定性的改善效果。

郑州大学程显教授团队采用模糊径向基函数（Radial Basis Function, RBF）神经网络-PID智能控制系统，保证开关操动时间的稳定性及操动过程的可控性。

图1 永磁操动机构的模糊RBF-PID控制框图

他们首先对永磁操动机构动态模型进行建模与仿真分析，建立永磁操动机构仿真模型，验证了算法控制器的可行性。在此基础上搭建了永磁操动机构动触头运动控制系统实验平台，以TMS320F28335 类型的数字信号（Digital Signal Processor, DSP）处理器为核心设计了永磁机构真空开关智能控制系统。在控制算法上选择了模糊RBF-PID控制算法，控制机构触头的行程和线圈电流。

图2 模糊RBF神经网络PID永磁操动系统仿真

科研人员进行合闸实验并对比加入控制系统之前的合闸时间稳定性，证明了模糊RBF-PID控制方案对提高真空开关动作时间稳定性的可行性及有效性。最后，他们得出如下结论：

图3 现场测试系统的整体结构框图

图4 现场测试系统整体电路图

1）本研究通过分析永磁操动机构分合闸时的受力情况，建立永磁操动机构的动态模型，提出了一种基于线圈电流补偿及位移跟踪控制的控制方案，设计了一种模糊RBF神经网络-PID控制系统，对永磁操动机构真空开关合闸进行操动控制，提高了合闸动作时间稳定性。

2）采用Matlab建立永磁操动机构控制系统的仿真模型，建立以模糊RBF-PID控制算法为核心的控制器，并进行了位移跟踪和线圈电流补偿的仿真实验。结果表明：模糊RBF-PID控制器能够对线圈电流和行程位移进行较好的跟踪控制。

3）搭建了真空开关永磁操动机构实验平台，在外界环境因素变化的情况下，进行控制效果验证。未加入算法控制器的合闸实验，总体合闸时间在22.7~31.8ms；加入算法控制器后，总体合闸时间在25.5~26.1ms，合闸动作时间分散性由原来的±1.5ms降低为±0.3ms左右。在不同的外界环境温度下，分散性依然能够保持在±0.31ms以内，验证了该控制方案的有效性。

本文编自2021年第21期《电工技术学报》，论文标题为“真空开关高动作稳定性的永磁操动机构控制系统”，作者为程显、袁晓东 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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