一种电机直驱断路器

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，具体而言，涉及一种电机直驱断路器。

背景技术

电机直驱高压断路器操动机构中，电机容量需要和断路器操作功相匹配，在252kV及以下电压等级中，采用单台电机即可完成分合闸驱动，但在252kV以上电压等级断路器工程实践中，操动机构操作功大，采用单台电机直驱机构将需要兆瓦级的电机，在电机设计、优化以及驱动控制方面均存在较大难度，时间成本和经济成本都非常高，且功率密度难以得到明显提升，最终导致制造时间长，造价高，不利于工程应用和市场推广。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种电机直驱断路器。

本发明实施例提供了一种电机直驱断路器，包括：断路器本体、控制器和两个驱动模块；所述断路器本体包括断路器主轴，所述驱动模块包括电机；

一个所述驱动模块的电机与所述断路器主轴的一端传动连接，另一个所述驱动模块的电机与所述断路器主轴的另一端传动连接；

所述控制器与两个所述驱动模块均相连，用于控制两个所述电机同步且同向转动。

在一种可能的实现方式中，一个所述驱动模块的电机的传动轴通过法兰盘与所述断路器主轴的一端同轴固定连接，另一个所述驱动模块的电机的传动轴通过法兰盘与所述断路器主轴的另一端同轴固定连接。

在一种可能的实现方式中，两个所述驱动模块的电机性能相同。

在一种可能的实现方式中，所述驱动模块还包括逆变器；

所述逆变器与所述电机相连，用于将直流电转换为所述电机所需的交流电。

在一种可能的实现方式中，至少一个所述驱动模块的所述逆变器包括：三相桥式逆变器、第一开关、第二开关、第三开关和至少一个冗余桥臂；所述冗余桥臂包括：冗余开关、第一可控开关、第二可控开关、第一选通开关、第二选通开关和第三选通开关；

所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关分别串接在所述三相桥式逆变器的一个桥臂中，并与相应桥臂的直流电正端相连；

所述冗余开关的一端与直流电正端相连，所述冗余开关的另一端依次串接所述第一可控开关、所述第二可控开关后与直流电负端相连；

所述第一选通开关的一端与公共点相连，另一端与所述电机的第一相输入端相连；所述公共点为所述第一可控开关与所述第二可控开关之间的连接点；

所述第二选通开关的一端与所述公共点相连，另一端与所述电机的第二相输入端相连；

所述第三选通开关的一端与所述公共点相连，另一端与所述电机的第三相输入端相连。

在一种可能的实现方式中，所述冗余桥臂还包括：第一反开关、第二反开关和第三反开关；所述第一反开关与所述第一开关通断状态相反，所述第二反开关与所述第二开关通断状态相反，所述第三反开关与所述第三开关通断状态相反；

所述第一开关所在桥臂与所述电机的第一相输入端相连，所述第二开关所在桥臂与所述电机的第二相输入端相连，所述第三开关所在桥臂与所述电机的第三相输入端相连；

所述第一反开关与所述第一选通开关串接；

所述第二反开关与所述第二选通开关串接；

所述第三反开关与所述第三选通开关串接。

在一种可能的实现方式中，所述冗余桥臂的数量不超过三个。

在一种可能的实现方式中，所述驱动模块还包括传感器组，所述传感器组的输出端与所述控制器相连；

所述传感器组用于采集所述电机和/或所述逆变器的状态数据，并将所述电机和/或所述逆变器的状态数据发送至所述控制器。

在一种可能的实现方式中，电机直驱断路器还包括整流器和储能电容器组；

所述整流器的输入端用于接入交流电，所述整流器的输出端与所述储能电容器组的输入端相连；

所述储能电容器组的输出端与两个所述驱动模块的所述逆变器的输入端均相连。

在一种可能的实现方式中，电机直驱断路器还包括电容传感器，所述电容传感器的输出端与所述控制器相连；

所述电容传感器用于采集所述储能电容器组的状态数据，并将所述储能电容器组的状态数据发送至所述控制器。

本发明实施例提供的方案中，利用两个与断路器主轴传动连接的电机同步向该断路器主轴施加驱动力，可以同步带动断路器主轴转动，从而可以降低对每个电机的要求，不需要大功率电机，可以降低成本，且简化电机设计，也易于实现驱动控制。该电机直驱断路器特别适用于高压场景，例如，该电机直驱断路器为电机直驱高压断路器(例如，电压等级在252kV以上的电机直驱断路器)，在不用兆瓦级电机的情况下即可实现驱动控制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的电机直驱断路器的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的逆变器的一种原理示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的逆变器的另一种原理示意图。

附图标记说明：

10、控制器；20、驱动模块；30、断路器主轴；40、整流器；50、储能电容器组；60、电容传感器；K1、第一开关；K2、第二开关；K3、第三开关；K4、冗余开关；Q41、第一可控开关；Q42、第二可控开关；K41、第一选通开关；K42、第二选通开关；K43、第三选通开关；K11、第一反开关；K21、第二反开关；K31、第三反开关。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种电机直驱断路器，其利用电机操控断路器导通或关断。参见图1所示，该电机直驱断路器包括：断路器本体、控制器10和两个驱动模块20；断路器本体包括断路器主轴30，该驱动模块20包括电机。其中，一个驱动模块20的电机与断路器主轴30的一端传动连接，另一个驱动模块20的电机与断路器主轴30的另一端传动连接；控制器10与两个驱动模块20均相连，用于控制两个电机同步且同向转动。

本发明实施例中，该断路器本体为电机直驱断路器的主体结构，其具有断路器主轴30，通过操控断路器主轴30转动可以实现断路器导通或关断，该断路器本体的结构以及工作原理与传统相似，本实施例对断路器本体的具体结构不做详述。

并且，该电机直驱断路器包括两个驱动模块20，每个驱动模块20均包含电机。并且，两个驱动模块20的电机分别位于该断路器主轴30的两端，并传动连接。例如，两个电机可以通过法兰盘与该断路器主轴30同轴连接，以实现同轴驱动；即，一个驱动模块20的电机的传动轴通过法兰盘与断路器主轴30的一端同轴固定连接，另一个驱动模块20的电机的传动轴通过法兰盘与断路器主轴30的另一端同轴固定连接。图1中以虚线框示出了驱动模块20，如图1所示，其中一个驱动模块20包括电机1，另一个驱动模块20包括电机2；电机1与断路器主轴30的一端共轴连接，电机2与断路器主轴30的另一端共轴连接。

本发明实施例中，控制器10与两个驱动模块20均相连，该控制器10可以控制两个电机的同步动作，且控制两个电机同向转动，以同时带动断路器主轴30转动。本领域技术人员可以理解，两个电机同向转动指的是，以断路器主轴30为参照物所确定的转动方向，但是，两个电机以自身为参照物，其各自的转向是相反的；如图1所示，若电机1顺时针转动，则电机2需要逆时针转动，这样才可实现整体上“同向转动”。

该电机直驱断路器的工作原理具体如下：

在需要打开该断路器时，控制器10同时控制两个驱动模块20的电机同步动作，且两个电机整体上沿一个方向转动，例如，电机1顺时针转动，电机2逆时针转动；在需要断开该断路器时，控制器10同时控制两个驱动模块20的电机同步动作，且两个电机整体上沿另一个方向转动，例如，电机1逆时针转动，电机2顺时针转动。利用两个电机同步带动断路器主轴30转动，可以降低对每个电机的要求，成本较低，且电机设计简单。可选地，两个驱动模块20的电机性能相同，例如，两个电机是同型号的；利用两个性能相同的电机，控制器10对两个电机的控制逻辑基本是相同的，可以进一步简化控制算法，降低设计难度。

本发明实施例提供的电机直驱断路器，利用两个与断路器主轴30传动连接的电机同步向该断路器主轴30施加驱动力，可以同步带动断路器主轴30转动，从而可以降低对每个电机的要求，不需要大功率电机，可以降低成本，且简化电机设计，也易于实现驱动控制。该电机直驱断路器特别适用于高压场景，例如，该电机直驱断路器为电机直驱高压断路器(例如，电压等级在252kV以上的电机直驱断路器)，在不用兆瓦级电机的情况下即可实现驱动控制。

可选地，该电机为交流电机，如图1所示，该驱动模块20还包括逆变器；该逆变器与电机相连，用于将直流电转换为电机所需的交流电。

本发明实施例中，每个驱动模块20均包括相应的逆变器，可以将直流电转换为交流电，以供相应的电机使用。如图1所示，逆变器1可以向电机1提供交流电，逆变器2可以向电机2提供交流电。

可选地，参见图1所示，该驱动模块20还可以包括传感器组，传感器组的输出端与控制器10相连；传感器组用于采集电机和/或逆变器的状态数据，并将电机和/或逆变器的状态数据发送至控制器10。其中，电机的状态数据可以包括电机的驱动电流等，逆变器的状态数据可以包括逆变器中每个开关的通断状态、每条支路中的电流等。如图1所示，传感器组1可以采集电机1和逆变器1的状态数据，将该状态数据发送至控制器10，使得控制器10基于该状态数据可以控制逆变器1工作；传感器组2可以采集电机2和逆变器2的状态数据，将该状态数据发送至控制器10，使得控制器10基于该状态数据可以控制逆变器2工作。

可选地，参见图1所示，该电机直驱断路器还包括整流器40和储能电容器组50；整流器40的输入端用于接入交流电，整流器40的输出端与储能电容器组50的输入端相连；储能电容器组50的输出端与两个驱动模块20的逆变器的输入端均相连。

本发明实施例中，整流器40可以接入交流电，例如交流市电等，整流器40将交流电转换为直流电，从而可以向整个电机直驱断路器供电。具体地，该整流器40的输出端设有储能电容器组50，该储能电容器组50包括多个储能电容，实现电能储能；并且，该储能电容器组50向两个驱动模块20提供电能，即储能电容器组50向两个驱动模块的逆变器提供直流电。如图1所示，储能电容器组50可以向逆变器1和逆变器2均提供直流电。

可选地，如图1所示，该电机直驱断路器还包括电容传感器60，电容传感器60的输出端与控制器10相连；电容传感器60用于采集储能电容器组50的状态数据，并将储能电容器组50的状态数据发送至控制器10。其中，该电容传感器60为采集储能电容器组50的状态数据的传感器，并将该状态数据上传至控制器10，控制器10基于该状态数据可以确定电机直驱断路器工作是否正常。

在上述任一实施例的基础上，至少一个驱动模块20的逆变器具有冗余功能；例如，两个逆变器均具有冗余功能。图2示出了该逆变器的一种原理图，如图2所示，该逆变器包括：三相桥式逆变器、第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3和至少一个冗余桥臂；冗余桥臂包括：冗余开关K4、第一可控开关Q41、第二可控开关Q42、第一选通开关K41、第二选通开关K42和第三选通开关K43；该第一选通开关K41、第二选通开关K42和第三选通开关K43是择一导通的，即在需要导通时，只导通其中一个选通开关，另外两个选通开关是闭合的。

如图2所示，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3分别串接在三相桥式逆变器的一个桥臂中，并与相应桥臂的直流电正端相连。冗余开关K4的一端与直流电正端相连，冗余开关K4的另一端依次串接第一可控开关Q41、第二可控开关Q42后与直流电负端相连。

第一选通开关K41的一端与公共点相连，另一端与电机的第一相输入端相连；公共点为第一可控开关Q41与第二可控开关Q42之间的连接点；第二选通开关K42的一端与公共点相连，另一端与电机的第二相输入端相连；第三选通开关K43的一端与公共点相连，另一端与电机的第三相输入端相连。

本发明实施例中，该逆变器整体上是三相桥式逆变器，为电机提供三相交流电，从而可以控制电机转动。其中，该三相桥式逆变器包括三个桥臂，图2中以桥臂1、桥臂2、桥臂3表示这三个桥臂。其中，每个桥臂中均包含两个可控开关，且两个可控开关之间的连接点用于向电机提供其中一相的电。如图2所示，桥臂1中包括可控开关Q11、Q12，桥臂2中包括可控开关Q21、Q22，桥臂3中包括可控开关Q31、Q32；通过控制三个桥臂中每个可控开关的通断，可以将直流电转换为交流电，并输入至电机，图2中以M表示电机。其中，三相桥式逆变器的工作原理为现有技术，此处不做详述；该可控开关可以为晶闸管，或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，本实施例对此不做限定。

第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3以串接的形式接入三相桥式逆变器的相应桥臂，并且，如图2所示，这三个开关中的每一个均位于相应桥臂中靠近直流电正端的一端，且与该直流电正端相连。如图2所示，该逆变器左侧的两端为接入直流电的输入端，其上方的一端为直流电正端，其下方的一端为直流电负端。第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3为相应桥臂的通路的控制开关，控制相应桥臂是否工作。在正常情况下，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3均是闭合的。

并且，该逆变器还设有至少一个冗余桥臂，图2示出了一个冗余桥臂。如图2所示，与其他桥臂相似，该冗余桥臂也包括两个可控开关(即第一可控开关Q41和第二可控开关Q42)和控制该冗余桥臂通断的开关(即冗余开关K4)。其中，三相桥式逆变器中三个桥臂分别接入电机的一个输入端，该冗余桥臂可以接入该电机的三个输入端。具体地，如图2所示，冗余桥臂的公共点(即第一可控开关Q41和第二可控开关Q42之间的连接点)可以通过第一选通开关K41连接电机的第一相输入端，通过第二选通开关K42连接电机的第二相输入端，通过第三选通开关K41连接电机的第三相输入端。通过选择哪个选通开关导通，可以使得该冗余桥臂为电机相应一相的输入端供电。

该逆变器的工作原理具体如下：

在三相桥式逆变器正常无故障的情况下，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3均是闭合的，而冗余开关K4断开；此时，三相桥式逆变器的三个桥臂(桥臂1、桥臂2和桥臂3)正常工作，控制器10通过控制六个可控开关Q11-Q32的通断，实现逆变。其中，第二可控开关Q42断开，和/或，第一选通开关K41、第二选通开关K42、第三选通开关K43均断开。

在三相桥式逆变器中某个桥臂异常时，将冗余桥臂代替该异常的桥臂工作。例如，若桥臂1工作异常(例如，可控开关Q11故障等)，由冗余桥臂代替该桥臂1工作。具体地，第二开关K2和第三开关K3仍然是闭合的，而第一开关K1断开，冗余开关K4闭合。并且，与该桥臂1对应的选通开关闭合；如图2所示，第一选通开关K41与该桥臂1对应，二者均接入电机的同一个输入端，故闭合第一选通开关K41。此时，以与可控开关Q11、Q12相同通断的方式，控制第一可控开关Q41和第二可控开关Q42通断，即第一可控开关Q41与可控开关Q11的通断情况相同，第二可控开关Q42与可控开关Q21的通断情况相同，从而实现将冗余桥臂代替为异常的桥臂1。其他桥臂异常时，只需要闭合相应的选通开关即可，如图2所示，若桥臂2异常，闭合第二选通开关K42，若桥臂3异常，闭合第三选通开关K43，本实施例对此不做详述。

其中，该冗余桥臂的数量可以为多个，为节约成本，该冗余桥臂的数量不超过三个，使得即使三个桥臂均异常时，该逆变器也可正常工作。

可选地，参见图3所示，该冗余桥臂还包括：第一反开关K11、第二反开关K21和第三反开关K31；第一反开关K11与第一开关K1通断状态相反，第二反开关K21与第二开关K2通断状态相反，第三反开关K31与第三开关K3通断状态相反。

其中，第一开关K1所在桥臂与电机的第一相输入端相连，第二开关K2所在桥臂与电机的第二相输入端相连，第三开关K3所在桥臂与电机的第三相输入端相连。第一反开关K11与第一选通开关K41串接；第二反开关K21与第二选通开关K42串接；第三反开关K31与第三选通开关K43串接。

本发明实施例中，选通开关所在支路中还串接有与相应桥臂中开关(第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3)具有相反通断状态的反开关。如图3所示，第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3所在桥臂所接入的电机的输入端分别为第一相输入端、第二相输入端和第三相输入端；在冗余桥臂中，与该第一相输入端相连的第一选通开关K41，其串接有第一反开关K11，该第一反开关K11与第一开关K1通断状态相反，即第一开关K1导通时，第一反开关K11关断；第一开关K1关断时，第一反开关K11导通。

类似地，与该第二相输入端相连的第二选通开关K42，其串接有第二反开关K21，该第二反开关K21与第二开关K2通断状态相反，即第二开关K2导通时，第二反开关K21关断；第二开关K2关断时，第二反开关K21导通。与该第三相输入端相连的第三选通开关K43，其串接有第三反开关K31，该第三反开关K31与第三开关K3通断状态相反，即第三开关K3导通时，第三反开关K31关断；第三开关K3关断时，第三反开关K31导通。

其中，第一开关K1和第一反开关K11可以是同一个继电器中的常开触点和常闭触点，以实现二者通断状态相反。类似地，第二开关K2和第二反开关K21也可以是同一个继电器中的常开触点和常闭触点，第三开关K3和第三反开关K31也可以是同一个继电器中的常开触点和常闭触点，三个继电器是各自独立控制的继电器。可选地，逆变器中的所有开关均可被控制器10控制，在控制器10控制下实现冗余切换。

本发明实施例中，逆变器中设有至少一个冗余桥臂，且三相桥式逆变器中每个桥臂均串接有相应的开关(即第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3)，三相桥式逆变器中某个桥臂异常时，可以切除异常桥臂，并接入冗余桥臂，由该冗余桥臂代替异常的桥臂工作，保证逆变器能够正常运行，可以提高逆变器的稳定性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。