高压开关电动操动机构的电气制动技术

王晨 赵尔博

[摘 要]在高压开关行业，电动操动机构（以下简称电动机构）普遍采用直流电动机作为动力源，当电机断电后，转子还会继续转动一定的角度才能停止。当电动机构分合闸操作时（转动惯量不变的情况下），速度越快，传动部分的动能就越大，若多余的动能无法消除，将会引起传动系统的冲击、反弹现象，降低机构的可靠性。因此，电机断电及分合闸到位后应采取制动措施，以消除多余动能给机构带来的不良影响。基于此，本文主要对高压开关电动操动机构的电气制动技术进行分析探讨。

[关键词]高压开关；电动操动机构；电气制动技术

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0097-01

1、前言

目前，用于GIS中隔离开关、接地开关的电动操动机构常采用永磁直流电动机或串励电动机。其转速高、传动部分惯量大、分合闸速度快，在停止时需要设计相应的制动措施。在工程实际中大都采用电气制动的方法来实现电动机构的停车。

2、直流电动机的电气制动方法

直流电动机的电气制动方法分为反接制动、回馈制动、能耗制动，在电动操动机构中多采用能耗制动。能耗制动就是将电机断电后的剩余动能转换为制动时所需要的电能，由电阻发热耗能来实现制动的方法。永磁直流电动机的制动原理见图1。

制动时，将电枢两端电源切除，电枢与电阻R1接通，电枢因惯性继续旋转，电动机变为发电机。此时转子所受的电磁转矩T与转向n相反，起到制动的作用。有的工程要求用AC220V的交流电动机，因为交流输入电源产生的制动电流为脉动波形，且有过零点现象，电动机停电时的剩磁弱，制动转矩小，制动效果降低，因此设计了交流电源串励电动机的制动方法，见图2。

该制动方式将原串励电动机接线方式改为他励电动机接线方式，电枢回路中接入R1电阻，进行耗能，在定子回路中接入R2电阻，进行限流。当电动机断电后，通过外加电源，使定子的磁场继续存在，将转子线圈接入耗能回路，使电动机瞬间变为发电机，此时电磁转矩T的方向与电机转向n相反，起到制动作用。通过调整R2的大小，改变励磁电流，得到理想的感应电动势，通过调整R1得到理想的制动效果。需要注意的是，R2电阻容易发热，需要设计延时继电器对定子回路的续流时间进行控制，制动完成后应立即切断电源。

电气制动不良的原因及排查方法：①接触器辅助节点接触不良。检查接触器的辅助节点是否吸合不可靠；②辅助开关节点转换不良。特别注意顺行、逆行辅助开关的节点状态是否与设计不一致；③延时继电器使用不当或损坏。延时继电器设置不当，或延时继电器节点失效。两种制动曲线见图3。

图3中，曲线1、2分别为串励电动机、永磁直流电机的机械特性曲线，曲线3为制动时的机械特性曲线。制动时，电机的运行点从A→B→0，T与n方向相反，起到制动作用，最终实现电动机构停车。制动电流与制动转矩的计算见式（1）、（2）：

（1）

（2）

式（1）、（2）中：Ia为制动电流（电枢电流）；Ra为电枢电阻；T为制动转矩；CT为转矩常数；Φ为磁通。电枢电流与电枢回路的总电阻成反比，制动电阻越小，电流越大，电磁转矩也随之增大，停机快，但电流过大，会造成电机发热的现象。电枢回路串入制动电阻R1的最小值Rmin，见式（3）

（3）

式（3）中，Iamax为制动时电机允许的最大电流。若制动电阻R1为零，相当于电机启动状态；若制动电阻R1过大，则制动电流小，制动转矩小，制动时间长；根据电机定子阻值、电机耐受电流、再结合试验确定R2的阻值，因此需要选择合适的电阻。回馈制动方式、再生制动方式等，电路复杂，回路中需要接入直流电源，很少在高压开关行业中使用。

3、电动机构的电气制动测试

3.1 LabVIEW软件简介及方法

通过测试装置与软件结合的方法进行高压开关操动机构参量的测试，可以达到简单、经济的目的。LabVIEW软件是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台。测试前将电动机构安装在模拟负载上，调校模拟负载的输出扭矩。该装置利用霍尔电流传感器、采集卡进行数据采集，使用LabVIEW软件进行分析。在某产品的电动机构上实测：测试装置的电流准确度为±1%，采样频率为5000次/s，电机功率为650W，电机转速为460r/min。通过上述测试手段分别进行了电动机构用直流永磁电动机和串励电动机的制动电流测试。

3.2 永磁直流电动机的制动测试

电机回路接入DC220V电源，进行分闸电流测试，负值为电机工作电流，正值为制动电流，分闸时间为1.5s。制动电流由零点升至3.5A后，逐渐衰减为零，制动电流持续时间为0.2s，制动距离在设计裕度的50%以内。

合闸电流正值为电机工作电流，负值为制动电流，分闸时间为1.4s。电流由零点升至负3.6A后，迅速下降，直至衰减到零。制动电流持续时间为0.16s，制动距离在设计裕度的50%以内。直流永磁电机的制动方式简单、可靠，但在直流永磁电机输入电源为AC220V且不增加整流装置的场合受限。

3.3 直流串励电动机的制动测试

将原样机构的永磁直流电动机更换为同参数的串励电动机，设计了双电阻制动方式的控制回路，电机回路分别接入AC220V、DC220V电源進行测试。

3.3.1 AC220V电机电源下的制动测试

电机分闸时间为2s，制动电流持续为0.3s，有过零点现象，制动距离在设计裕度的70%以内。电机合闸时间为2.1s，制动波形为交变波形，制动电流持续时间为0.3s。电机断电后，制动电流升至9A，呈交变状态迅速下降，直至衰减到零。制动电流与定子电流均为交流，有过零点现象，制动距离在设计裕度的70%以内。

3.3.2 DC220V电机电源下的制动测试

正值为制动电流，负值为电机工作电流，制动电流下方为电机定子续流波形。在电机断电瞬间，制动电流升至8.5A，并迅速下降，直至衰减为零。制动电流呈锯齿状小幅波动，逐渐衰减。合闸时间为2s，制动电流持续时间为0.2s。制动距离在设计裕度的50%以内，相比交流AC220V电机电源测试情况，直流电源的制动距离短，无过零点现象。DC220V电机电源的分闸电流波形类似，不再阐述。

经分析：制动电流的大小与制动电阻、电动机转速相关。制动开始时，电动机转速高，产生的制动电流大；随着电动机减速，制动电流减小；电动机停转时，制动电流衰减为零，制动电流持续时间小于0.3s。根据操动机构的分合闸速度、电源类型，选取相应制动方式：若输入电源为DC220V采用单电阻制动方式；若输入电源为AC220V，可采用双电阻制动方式。

4、结语

实验证明：高压开关电气制动技术能够解决电动操动机构分、合闸到位后的剩余动能给系统带来的冲击、反弹现象，提高操作时电动操动机构的可靠性。通过对电气制动技术的系统试验得出：

1）采用能耗制动，将电动机变为他励发电机，产生的制动能量使电动机构在0.3s以内完成停车。2）根据电机回路电源类别选择不同的制动方式。永磁直流电动机为直流电源时，采用单电阻制动方式；串励电动机为单相交流电源，采用双电阻制动方式。3）在相同的制动回路中，电机回路输入直流电源比输入交流电源产生的制动距离短，制动回路简单、可靠，制动效果更好。

参考文献

[1] GB/T7252--2001变压器油中溶解气体分析和判断导则[s].

[2] 董其国.电力变压器故障与诊断[M].北京：中国电力出版社，2001.