專利名稱：具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種供內饋式繞線異步電動機或普通繞線異步電動機使用的轉子轉差 率控制數字智能調速裝置，特別是公開一種具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智 能調速裝置，屬于中壓(3千伏，6千伏，IO千伏)大容量電動機調速領域。
背景技術：
節(jié)能減排優(yōu)化環(huán)境是實現我國國民經濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要任務，是目前社會的主旋 律。推廣用電量最大的中壓電動機調速節(jié)能是節(jié)能降排的重大舉措之一。隨著全民節(jié)能意 識的增強，性能優(yōu)良、安全可靠、價格較低的中壓交流電動機調速節(jié)能產品的需求量在迅速增加。目前，中壓交流電動機高效調速裝置主要有兩種中壓變頻調速與串級調速。中壓變頻調速是在中壓交流電動機的定子側施加中壓變頻器電源，改變定子側電壓和頻率來調節(jié)電動機轉速。中壓變頻器容量通常為交流電動機容量的1.2 1.3倍。變換電壓 高(6千伏，10千伏)，需要多功率單元串聯，電源側還需要一臺多副繞組的大容量移相變 壓器(容量為電動機容量的1.4 1.5倍)給各個功率單元供電。因此，系統結構復雜，裝 置體積龐大，總體造價高。對于現場工藝要求電動機不能停車的使用場合，還必須增加旁 路設備，在中壓變頻器出現故障時，將電動機與中壓變頻器斷開，再將電動機直接接入中 壓電網(6千伏，10千伏)，直接起動電動機到全速，啟動電流很大，電動機加速很快，不 僅對電網沖擊大，生產工藝上也難于應對這種突加局面(如關風門)，致使生產受到影響。 在中壓變頻器修復后，還必須先將電動機從電網上斷開，在電動機停車過程中，與中壓變 頻器接通，變頻器必須試探性的測定電動機停車過程中的速度，給出與該速度相適應的頻 率與電壓，如果配合不好，會造成大電流沖擊，甚至高壓開關分閘使電動機停車，這樣會 給生產帶來巨大損失。串級調速是一種古老的調速方式，由于功率因數太差，外饋變壓器體積大，逆變電路 在突發(fā)停電時出現顛覆，致使設備故障，因此很難推廣。但這種調速方式，是在電動機轉 子電路中控制轉差率調速，轉子電路電壓低(一般在1000伏左右)，避開了高壓引起的麻 煩；在調速范圍不高時(風機水泵要求的調速范圍都小)，裝置容量通常只有電動機容量的 60% 70%左右；主電路簡單，只有不控整流器、平波電抗器、晶閘管逆變器、外饋變壓 器，因此造價低；又能實現無級調速。所以人們一直在探索改進這種調速方式。早在上世 紀80年代，出現內饋繞線電動機，取消了外饋變壓器，減少了設備。90年代，又出現了斬波串級調速。使用斬波(用晶閘管構成斬波電路)，將較低的轉子整流電壓(其值隨轉差 率在變)升高到最大的固定直流逆變電壓，使晶閘管逆變器的功率因數有一定提高(0.866)，但系統總體功率因數在電動機高速運行時仍低于電動機本身功率因數，隨著轉速降低，功率因數仍降到較低值(0.4 0.5)。這種系統在電機調速狀態(tài)不能停車，必須升速到全速運 行時，分斷逆變器交流電路接觸器之后才能分斷高開停車，在調速狀態(tài)也不能使用緊急停 車，調速狀態(tài)停車會造成快熔熔斷，甚至晶閘管損壞。更不具備電網快切功能。其原因是 電機供電突然中斷時，逆變器交流電源隨之消失，電容器直流電壓經過正在導通的晶閘管 短路，由于電容電壓較高，短路電流快速上升，致使快熔熔斷，甚至晶閘管損壞，使設備 陷入故障狀態(tài)。由于采用斬波，原來采用整流橋電壓當作實際速度構建速度閉環(huán)的方法， 因為誤差太大不能再使用，所以，有些產品采用開環(huán)控制斬波占空比調速，調速性能自然 很差；有些產品采用外加簡易脈沖測速的方法構建速度閉環(huán)，不僅安裝麻煩，運行中還常 出現脈沖丟失造成速度失控問題。這些問題影響了斬波串調裝置的進一步推廣應用。發(fā)明內容本實用新型的目的是解決串級調速裝置存在的現有技術問題，公開一種具有電網快切 功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，它是一種具有電網快速切換功能與短時停電 再啟動功能的數字智能調速裝置，同時還具有測速脈沖丟失保護、主電路簡單、數字化程 度高、安全可靠、操作方便、性能優(yōu)良、功率因數高、人機界面友好、可實現遠程控制與 管理等優(yōu)點，是一種功能完善的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置。本實用新型是這樣實現的 一種具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速 裝置，包括電動機軟啟動設備RQD、轉子轉差率控制調速SKT部分，轉差功率回饋SGH 部分及可編程序控制器PLC。各部分功能明晰、完善，相互協調，整體由PLC統一管理。 其特征在于轉差率控制調速部分包括不控整流器、斬波器與數字信號處理器，實施碼盤 脈沖測速與無速度傳感器速度測量，實施電動機速度外環(huán)電流內環(huán)雙環(huán)速度控制與負載工藝外環(huán)控制，同時將轉差功率轉換為直流電功率，送入逆變電容器存儲；轉差功率回饋部分包括電網快切與短時停電再啟動功能電路、逆變器與功率因數補償電路，實現電網快切功能與短時停電再啟動功能，將能量回饋到電網，并補償電動機整體功率因數；可編程控 制器實施電動機整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。轉子轉差率控制調速SKT電 路包括不控整流器ZR、斬波器CH與數字信號處理器DSP， DSP硬件電路接受碼盤測速 脈沖，用于計算電機在各種運轉狀態(tài)下的速度；采用電流霍爾元件檢測電動機轉子電流Ir 的轉差頻率，用于計算電動機在各種運轉狀態(tài)下的速度，判斷脈沖測速是否存在脈沖丟失情況，并作相應處理；采用霍爾元件檢測轉子整流電流Ic用于電流環(huán)的電流反饋，采用電 壓霍爾元件檢測直流逆變電壓Uc用于電動機調速過程中的過電壓保護；在有工藝閉環(huán)時， DSP還要采集工藝量的值用于工藝反饋，通過編制DSP程序構建工藝環(huán)、速度環(huán)、電流 環(huán)實現轉差率控制與電動機速度調節(jié)，同時將交流轉差功率轉換為直流電功率，送入電容 器存儲；轉差功率回饋SGH電路包括電網快切功能與停電再啟動功能電路WKQ與控制 電路板BH，晶閘管逆變器INV與控制板CF，功率因數補償電路GBC。同步電源采用 隔離降壓變壓器取自逆變交流電源。功率因數補償電路由電機轉速控制，隨著轉速降低， 分若干等級逐步增加補償電容值，提高整體系統的功率因數。這種補償方法，對于內饋電 機，受到反饋繞組容量的限制；對于普通繞線電機，可以通過加大外饋變壓器的容量，滿 足無功補償的需求。PLC實施整體調速系統的程序控制，故障綜合預處理，保證系統正常 運行。本實用新型系統的控制步驟如下1、 控制電源送電后，DSP自檢并初始化，PLC巡檢整體調速系統狀態(tài)。在第1次 起動電動機之前，需要在觸摸屏上輸入電動機參數與工藝要求參數。之后，首先判別是否 存在與軟啟動電路相關的報警與故障，若存在，PLC在觸摸屏上送出禁止合閘信號并顯示 出報警與故障類別，若無報警與故障，PLC送出允許電動機啟動信號；然后再判別轉差率 控制調速SKT部分與轉差功率回饋SGH部分是否存在報警與故障，若存在，PLC在觸 摸屏上送出禁止調速信號并顯示出報警與故障類別，若無報警與故障，送出允許調速信號。 在觸摸屏上顯示信息的同時，也告知遠方集散型控制系統DCS中控室。2、 在觸摸屏上或在遠方DCS中控室按下合閘按鈕，PLC控制電動機啟動；DSP檢 測電動機運轉速度，如果系統允許進調速，則在電動機速度等于或大于設定速度時轉入調 速運轉；如果系統不允許進調速，或者觸摸屏上設定直接啟動到全速，則在啟動到接近全 速時轉入全速運轉；在電動機啟動過程中，轉差功率回饋SGH部分投入工作，為回饋能 量做好準備。3、 啟動過程中進入調速，或在全速時在觸摸屏上或在遠方DCS中控室按下調速按鈕 進入調速，DSP調速系統立即被使能，速度電流雙環(huán)調速系統進入正常工作，經歷過渡過 程之后，電動機穩(wěn)定在設定速度下運轉。調速系統工作過程中，回饋的轉差能量由轉差功 率回饋部分回饋電網。如果需要，可以通過手動/自動轉換開關轉入工藝閉環(huán)(壓力，流 量等)工作。4、 PLC巡檢所述轉差率控制調速SKT系統與轉差功率回饋SGH部分，在觸摸屏 上顯示電動機運行速度、轉子整流電流、轉子整流電壓、直流逆變電壓、逆變電路電流等數據；若出現故障時，通過軟啟動設備將電動機切換到全速運行，并在觸摸屏上顯示故障 類別及原因；若出現報警時，在觸摸屏上只顯示報警信息，提醒維護人員做應對處理。5、 在觸摸屏上或在遠方DCS中控室可以根據工藝要求改變設定速度，或者，在工藝 閉環(huán)(如壓力，流量等)工作時，改變工藝設定值，電動機就在新設定的工況下運轉。6、 如果工藝需要電動機全速運轉，在觸摸屏上或在遠方DCS中控室按下轉全速按 鈕，電動機按預先設定的加速度加速，在速度接近全速時，由PLC控制轉全速工作。7、 電機在各種運轉狀態(tài)下需要停車時，在觸摸屏上或在遠方DCS中控室均可以進行 停車操作。操作后，電動機自由停車。需要緊急停車時，在觸摸屏上或在遠方DCS中控 室均可以進行緊急停車操作。本實用新型所述的DSP實施碼盤脈沖測速與無速度傳感器速度測量，實施電動機速度 外環(huán)電流內環(huán)雙環(huán)速度控制與負載工藝外環(huán)控制，同時將轉差功率轉換為直流電功率，送 入逆變電容器存儲，包括DSP硬件電路板、軟件程序與電流電壓采集系統。其中，碼盤脈 沖測速是在電機軸上安裝測速碼盤與接近開關，在電機運轉時，DSP接收測速脈沖計算速 度，用于啟動過程中速度判斷，調速過程中速度反饋與各種狀態(tài)下的速度顯示。無速度傳 感器速度測量是采用電流霍爾元件檢測轉子電流Ir的轉差頻率，DSP依據轉差頻率計算 出電機速度，該速度測量周期較長，但較準確，用于校對碼盤脈沖測速的值，若兩者誤差 較大時，說明碼盤測速脈沖己經存在丟失現象。此時，應該做出脈沖丟失的應對處理，取 消速度調節(jié)器的調節(jié)運算，將之前的速度調節(jié)器輸出作為電流給定，電流環(huán)獨立工作。如 果之前是速度環(huán)工作，則在每次轉子電流測速后，比較測速值與設定值的差值，若測速值 高于設定值，則將電流給定值減去一個最小值；若測速值低于設定值，則將電流給定值增 加一個最小值，直到測速值與設定值之間誤差在允許范圍之內。如果之前是工藝環(huán)工作， 在每次測速后，比較工藝量實際值與設定值之間誤差，根據誤差大小與極性，做類似處理。 DSP使用電流霍爾元件采集直流斬波電流Ic用于電流環(huán)的電流反饋構建電流閉環(huán)，同時 用于斬波電流顯示。DSP用碼盤脈沖測速值構建速度環(huán)。如果需要工藝閉環(huán)，手動/自動轉 換開關轉到自動位置，DSP檢測工藝反饋量，構建工藝閉環(huán)。工藝調節(jié)器由常規(guī)PID調 節(jié)器與模糊控制器兩種形式，可以在觸摸屏上選擇其中一種使用。DSP硬件電路由數字信 號處理器與其他集成電路、電壓/電流變換電路組成，軟件實現電壓電流采集值計算，電 動機碼盤脈沖測速與無速度傳感器速度計算，速度電流雙環(huán)控制與調節(jié)，工藝環(huán)控制與調 節(jié)，輸出占空比控制脈沖PWM，控制轉差率，實現速度調節(jié)。所述的數字信號處理器采 用TI公司生產的2407、 2812型號產品或其他公司同類產品。本實用新型所述的電網快切與短時停電再啟動電路采用IGBT (或IGCT)可關斷器件串入電容器與晶閘管之間，IGBT集電極與電容器正極相連，發(fā)射極與平波電抗器L2相 連，L2另一端與晶閘管逆變器正極相連，柵極由控制電路板BH控制；IGBT斬波管封裝 中的二極管，其負極與IGBT發(fā)射極及平波電抗器L2相連，其正極與晶閘管逆變器負極 及電容器C負極相連。該電路妥善的實現電網快切與短時停電再啟動功能。也由于此電路， 在需要停車時，包括緊急停車，可以在任何工作狀態(tài)下直接分斷高壓開關實現停車。在調 速系統運行時，電網突發(fā)停電，不會再發(fā)生快熔熔斷事故，上級電網快速切換到另一路供 電，電機調速系統只會出現稍許擾動，很快進入原來運轉的穩(wěn)定狀態(tài)；如果停電時間較長， 電機自動從調速狀態(tài)轉入啟動狀態(tài)，來電后使用軟啟動設備升速到原^5設定速度，再轉入 調速運轉。為控制IGBT (V12)導通或阻斷，需要逆變電路過電流信號與逆變器交流電源 掉電信號。為此，在平波電抗器L2與晶閘管逆變器正極之間連接線上安裝電流霍爾元件， 檢測逆變器電流，將電流信號送到控制電路板BH;另外逆變器交流電源經隔離降壓變壓 器將電源信號送到控制電路板BH，利用這兩個信號構建控制邏輯，控制IGBT(V12)正 確實現電網快切與短時停電再啟動功能。本實用新型具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特征在于 在逆變器交流電源進線處，安裝功率因數補償裝置，主要補償繞線異步電機定子的勵磁無 功功率。對于風機與水泵負載，在電機額定運轉狀態(tài)，大多數電機功率因數有較高的數值， 但在調速運轉狀態(tài)，隨著轉速下降，有功功率急劇下降，而勵磁無功功率基本不變，所以 功率因數也急劇下降。為提高整體系統功率因數，應該隨著轉速下降，分級增加補償電容 量。本實用新型所述的PLC實施整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。PLC的應 用軟件控制整體調速系統的全過程。在電動機起車之前，巡檢各部分，均正常時給出允許 啟動并且可以進調速信號；若啟動設備不正常時在屏幕上顯示出故障或報警信息，同時給 出禁止合閘信號；若轉差率控制調速與能量回饋部分有報警與故障時，在觸摸屏上顯示報 警與故障類別，同時給出禁止調速信號；只要允許啟動，現場要求起車時，可以先啟動電 動機進入全速運轉后，轉換到維修狀態(tài)，邊運行邊檢修。在系統運行中，在本地(控制柜) 或遠方DCS可以對電動機進行各種操作。若DSP檢測到任何故障與報警，均會立即送至 PLC, PLC對于停機故障，立即發(fā)出停機命令并顯示故障類別；對于轉全速故障，立即通 過軟啟動設備做轉全速處理，并顯示故障類別；對于報警只顯示報警內容，提醒維護人員 處理。所述的PLC的硬件選用西門子公司S7—200或其他公司小型機。本實用新型將會帶來顯著的經濟效益與社會效益。與中壓變頻器相比，本實用新型提 供的調速裝置價格在各種容量等級上只有中壓變頻器的一半左右，而在性能上，具有中壓變頻器所具有的優(yōu)點，如啟動平穩(wěn)，啟動到設定速度就穩(wěn)定在設定速度運轉，無級調速， 調速精度高，響應快，功率因數高等，卻避開了中壓變頻器容量大于電動機容量，裝置內 部電壓高，線路復雜，體積龐大的困難，用低壓裝置控制中壓電動機，用(50% 70%)電 動機額定容量的裝置控制100%容量的電動機，主電路簡單，器件少，同樣滿足大功率風 機與水泵50%調速要求，更可貴的是方便維修。在裝置出現故障時，可以通過軟啟動設備 平穩(wěn)地將電動機升速到全速，然后，轉換到維修狀態(tài)，裝置完全與電動機脫開進行維修， 完成維修后，再轉換到運轉狀態(tài)，按下調速按鈕，平穩(wěn)地返回到原工作狀態(tài)。本裝置在供 電網突發(fā)停電時，還具有電網快切功能，快速恢復供電。若停電時間較長，自動回到啟動 狀態(tài)，來電時通過軟啟動升速到設定速度再進入調速狀態(tài)工作。對大系統影響很小。用本 裝置進行節(jié)能改造， 一年內就可以收回裝置成本。改造工程可以節(jié)省大量電能，降低生產 成本，優(yōu)化工藝過程。這是利國利民的大事。
以下結合附圖，對本實用新型作進一步說明。


圖l是內饋繞線電動機采用本實用新型的電原理圖；圖2是普通繞線電動機采用本實用新型的電原理；圖3是本實用新型采用的工藝環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)調節(jié)系統結構圖。
具體實施方式
本實用新型是采用當前先進的電力電子器件與數字控制技術實現具有電網快切功能的 電動機轉差率控制數字智能調速裝置。根據附圖l: M是內饋繞線異步電動機，其定子繞組由6千伏或10千伏電網供電。 RQD是電動機軟啟動設備(頻敏變阻器，水電阻等)，電動機轉子接觸器控制電路與維修轉 換開關等，接觸器控制電路受控于PLC，輔助接點的狀態(tài)也回饋到PLC。通常，小容量電 動機(1000千瓦以下)采用頻敏變阻器啟動，大容量電動機(1000千瓦以上)采用水電阻 啟動。轉差率控制調速SKT電路包括電動機轉子側二極管整流器ZR、斬波器CH與數 字信號處理器DSP，轉子側電流Ir與斬波器輸入電流Ic由電流霍爾元件檢測，其測量值 送DSP，直流逆變電壓(電容器C電壓)Uc由電壓霍爾元件檢測，其測量值送DSP與 控制電路板BH。轉差功率回饋SGH電路包括電網快切與短時停電再啟動功能電路WKQ、 晶閘管逆變器INV與觸發(fā)控制板CF、功率因數補償電路GBC，電源電壓由隔離變壓器(T)降壓后送控制板CF與BH，逆變器交流側電流由電流霍爾元件檢測，其值送控制板BH?？删幊绦蚩刂破鱌LC與電機軟啟動部分，數字信號處理器DSP，控制板BH，具有數字量，模擬量輸入輸出信息交換，接受遠方中控室DCS來的指令，同時將系統的狀態(tài)信息送給DCS。 PLC與人機界面HMI由專用通信線通信，在HMI上可以輸入電機參數及工藝參數，可以進行各種操作，有運行參數與故障報警信息顯示，也存儲運行的歷史紀錄。本實用新型采用當前先進的電力電子器件與數字控制技術實現具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置中包含的工藝環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)如附圖3所示。構建這些閉環(huán)，主要是如何構建含有斬波器環(huán)節(jié)的繞線電動機電流環(huán)，核心問題是如何認識調節(jié)對象。本實用新型力求用最簡單適用的方法實現。為此，首先闡明繞線電動機轉差率控制調速SKT的控制原理，由此說明本實用新型采用的工藝環(huán)速度環(huán)電流環(huán)調節(jié)系統是如何構建的。在闡明原理時，應將轉子整流電路ZR與斬波器電路CH —起考慮，作為一個整體分析。根據附圖1，轉子電勢經過二極管整流橋整流后為直流電壓Ur。在正常調速工作時，轉子電勢為Er=SXUrO ，式中，S——轉差率；Ur0——電動機轉子開路電壓； 轉子電勢的幅值和頻率都是轉差率的函數，在調速范圍內， 一般最高頻率也只有25周。 在過去的串級調速電路中，沒有斬波器電路，整流電路中換向重疊現象比較嚴重，在增加 斬波電路之后，換向重疊可以忽略(原因見下文)；再假定整流器件為理想器件，忽略管壓降與漏電流，這樣，在每個斬波周期中，斬波電流只在轉子兩相中流動，將轉子電路的電 阻與漏感移入整流電路后的直流電路，與斬波電路的電阻與電感合并，合并后的等效電阻為R，等效電感為L，這樣處理后，整流直流電壓Ur就是轉子電勢的理想整流電壓，該值為Ur=kXSXUrO ， 式中，k——整流系數。整流電壓Ur就是斬波器輸入電壓，整流電流(即斬波輸入電流)為Ic，在轉子整流 電路與升壓斬波器電路中，假定整流電流連續(xù)(在50%調速范圍內， 一般總是連續(xù)的)， 斬波管(IGBT或IGCT)導通時有方程式丄一+ /ci = t> ， 在斬波管(IGBT或IGCT)關斷時有方程式采用狀態(tài)空間平均模型法，按斬波管導通與關斷所占時間比例對上面兩方程式加權，得到 在一個周期內的方程式<formula>formula see original document page 10</formula>
在電動機調速過程中，轉速變化相對是較慢的，因此，Ur變化較慢，在討論斬波電流 時可以認為是不變的；Uc是直流逆變電壓，受轉差能量回饋SGH電路控制是恒定不變的。 在方程中，自變量是斬波器占空比D，在占空比D有一個增量時，斬波電流就產生一個 增量。根據增量方程式，并略去增量符號后可以得出斬波電流Ic為輸出、占空比為輸入的傳遞函數為<formula>formula see original document page 10</formula>
這就是電流環(huán)中的大慣量環(huán)節(jié)。可見這個環(huán)節(jié)是線性的。由于采用數字量控制，數字采樣 周期產生一個時間滯后，該滯后等同于一個小慣量環(huán)節(jié)。所以，電流環(huán)的調節(jié)對象是一個大慣量環(huán)節(jié)與一個小慣量環(huán)節(jié)。參見附圖3，電流調節(jié)器ACR應采用典型的PI調節(jié)器。 調節(jié)器ACR輸出直接控制轉差率控制SKT電路中的斬波器CH占空比，控制轉子電流， 因此，控制電動機電磁轉矩，也即控制轉子的轉差率，使電動機轉子穩(wěn)態(tài)時運轉在某一轉 差率下，轉速給定變化時，控制轉子轉差率向給定轉速加速，最后穩(wěn)定在設定速度上?，F在，闡明具有斬波器環(huán)節(jié)的轉子整流電路換相重疊現象可以忽略的原因。整流電流 大時，換相重疊嚴重，這種工況電動機是在i^I寂運轉，轉差率很小，轉差頻率很低，周 期很長，轉子電勢值也較低，整流電壓Ur也較低。換相出現的時刻，存在兩種情況，一 種是出現在斬波管(IGBT或IGCT)導通時，換相后的電勢差使新導通的相電流增長，原 導通相電流下降，待到斬波管(IGBT或IGCT)關斷時，換相重疊的兩相并聯流過電流， 整流電流Ic快速下降，忽略電阻壓降，有下式由于此時，整流電壓Ur較低，而直流逆變電壓Uc較高(800 1000伏)，電流下降 速率很大(若等效電感1毫亨，速率為每毫秒800 1000安)，由于換向的兩相存在電勢 差，原導通相下降更快。若負荷不重，可能一個斬波周期換相重疊就結束了。若負荷較重， 兩個斬波周期結束。另一種情況，換相時刻出現在斬波管(IGBT或IGCT)關斷狀態(tài)，斬 波電流下降速率大，由于轉子電感電壓為負，使換相的相不能導通，等到斬波管(IGBT或 IGCT)導通時，重疊的兩相電流同時增長，以后的情況同前述情況?？傊?，換相重疊只占 用1 2個周期，即0.5 1毫秒。若轉差率S=0.1，轉子頻率5赫茲，周期200毫秒。換相重疊影響很小可以忽略。電動機傳動系統的運動方程式為:式中J——機組的轉動慣量(kg. W2); 《——電動機的極對數； 71——負載阻轉矩； r￡——電動機電磁轉矩； ——電動機角速度?？梢?，速度環(huán)調節(jié)對象是一個積分環(huán)節(jié)。電流閉環(huán)在速度環(huán)內是一個小慣量環(huán)節(jié)。根 據附圖4，速度調節(jié)器ASR可采用典型的PI調節(jié)器。參數配置按三階系統整定。對于風 機與水泵負載，不允許電動機轉速快速變化，在速度給定通道里，設置給定積分器GJ，將 階躍給定量轉化為緩慢的斜坡上升信號。上升或下降時間可以在30 100秒之間設定。轉差率控制SKT調速系統可以在速度電流雙環(huán)下工作(手動方式)。速度設定值可以 在觸摸屏(本地)上手動給出，也可以在遠方DCS中控室手動給出，由本控/遠控轉換開 關轉換。通過手動/自動轉換開關，可以實現手動與自動方式地相互轉換。在自動工作方 式時，本地(觸摸屏上)或遠方DCS設定工藝控制值，如壓力，流量等，工藝過程中檢 測相應的工藝實際值用作反饋值，本實用新型中工藝調節(jié)器AGR有兩種形式常規(guī)的PID 調節(jié)器與模糊調節(jié)器。工藝環(huán)的調節(jié)對象模型清晰時，采用PID較好；若調節(jié)對象比較復 雜，又常常伴隨著大慣量、長時間滯后，調節(jié)對象很難用數學方程式描述時，采用模糊控 制調節(jié)器較好?，F場工藝情況千差萬別，用戶可以根據現場狀況選擇。本實用新型所述的具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其中， 無速度傳感器速度測量使用電流霍爾元件采集電動機轉子側交流電流Ir，通過過零點檢測， 轉換為正負各半周的方波，送給DSP芯片，使用捕獲功能檢測轉子電流轉差頻率Sf，計 算電動機運轉速度，該速度用于校對碼盤測速值，正常情況下，在各種狀態(tài)兩個測速值均 比較接近，在碼盤測速出現脈沖丟失時，兩者之間出現誤差，脈沖丟失愈嚴重誤差愈大， 誤差增大到一定值時就要作為脈沖丟失處理，停止速度調節(jié)器運算，將之前地速度調節(jié)器 輸出用作電流環(huán)給定，電流環(huán)獨立工作。每次求得轉子電流測速值后，將測速值與設定值 比較，根據差值大小與極性，調整電流給定值，從而保證電機在原設定速度上繼續(xù)運轉。這時的測速值也用于速度顯示與判斷。若測速脈沖丟失出現之前是工藝外環(huán)工作，脈沖丟 失處理與速度環(huán)工作情況類似。本實用新型所述的具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其中所 述電網快切與短時停電再啟動功能電路，參見附圖1，在電容器C正極與逆變回路電抗器 L2之間，串入一只IGBT (V12)作為逆變器電路過電流保護器件。IGBT集電極與電容器 C正極相連，發(fā)射極與電抗器L2相連，柵極由控制電路板BH控制。IGBT斬波管封裝中 的二極管，其負極與IGBT發(fā)射極及電抗器L2連接，其正極與晶閘管逆變橋的負極及電 容器C負極連接。逆變電流檢測用的電流傳感器安裝在晶閘管逆變器與電抗器L2的連線 上。控制板BH上裝配逆變過電流檢測及控制電路，逆變器交流電源掉電檢測電路與相關 的控制邏輯電路。在系統運行中IGBT (V12)總是處于導通狀態(tài)。若電網突然出現掉電時，逆變器交流 電源電勢立刻消失，掉電檢測環(huán)節(jié)檢測到掉電信號，該信號立刻去封鎖逆變電路過流保護 管IGBT (V12)，阻斷逆變電路；在掉電信號發(fā)出同時，電容器電壓經正在導通狀態(tài)的晶 閘管形成短路，短路電流上升到逆變電路過電流保護值時，過流保護環(huán)節(jié)也要發(fā)出逆變電 路過流封鎖信號，去封鎖IGBT (V12)。兩者中那個在前那個先起作用。封鎖IGBT (V12) 后，逆變電流開始下降，電流衰減下去后，掉電信號繼續(xù)維持封鎖IGBT (V12)。由于逆 變回路阻斷，故能夠可靠的保護快速熔斷器及晶閘管不受損傷，保持電容器電壓不變。同 時，掉電檢測信號與逆變電路過電流信號也去封鎖斬波電路的IGBT (Vll)，使斬波電路停 止工作。在電網快速切換的短過程中，調速系統除電機速度有稍許降落外，均維持原狀態(tài) 不變，等待來電。電網快速切換后，逆變器交流電源建立電勢，掉電信號消失IGBT (V12) 管恢復導通，調速系統重新進入正常調速工作狀態(tài)。如果切換時間超過規(guī)定時間，為防止 來電時轉子電壓過高，損傷IGBT器件，控制電路將自動把電機轉入軟啟動狀態(tài)。來電后， 按軟啟動方式將電機啟動到原設定速度，再轉入調速工作。如果停電時伺過長，已屬于電 機正常停車或緊急停車范圍，故給出分斷高壓開關信號，實現停車。本實用新型適用于中壓內饋繞線異步電動機與中壓普通繞線異步電動機。實施例1:根據附圖l，本實用新型用于內饋繞線異步電動機的具體應用實例。圖中M是內饋繞 線異步電動機，定子繞組通過高壓開關柜由6千伏或10千伏電網供電，轉子繞組連接到 軟啟動設備RQD，電動機容量在1000KW以下的，多采用頻敏變阻器啟動，大容量電動 機采用水電阻啟動。電動機啟動由PLC控制，若軟啟動電路部分無故障與報警時，在觸摸 屏上給出允許啟動信號，若有故障與報警，給出禁止合閘信號；若轉差率控制調速SKT部分與轉差功率回饋SGH部分無故障與報警，在觸摸屏上給出允許進調速信號，若有故障 與報警，給出禁止進調速信號；啟動有兩種方式可選擇直接進調速與直接進全速。如果 不允許進調速，即使選擇直接進調速，PLC也會確保直接進全速。在電機啟動、全速與調 速運行過程中，電動機速度測量總是碼盤脈沖測速與轉子電流的頻率測速并行進行的。為 此，在電機軸上安裝測速碼盤與接近開關，DSP接收測速脈沖，計算電機瞬時速度；另外， 采用電流霍爾元件采集轉子電流Ir， DSP依據過零點檢測，計算轉差頻率與速度，計算值 用于校對碼盤測速的正確性。在調速運行時，轉子整流橋ZR經交流接觸器與轉子繞組接 通，轉子整流橋ZR與升壓斬波器CH構成轉差率控制調速SKT主電路，數字信號處理 器DSP與電流檢測電路構成轉差率控制與調節(jié)電路。用電流霍爾元件檢測斬波電流Ic， 送DSP用于斬波電流環(huán)的電流反饋；依據碼盤脈沖測速值用于速度閉環(huán)的速度反饋；DSP 通過軟件構建斬波電流環(huán)，速度環(huán)與工藝環(huán)，實施調節(jié)過程。以速度電流雙環(huán)調節(jié)為例， 說明一下調節(jié)的過程。假定電動機在某一穩(wěn)定狀態(tài)下運轉，如果速度給定上升一個增量， 由于電動機速度還未變化，在速度調節(jié)器輸入端，就存在一個速度誤差，在速度調節(jié)器輸 出產生一個斬波電流給定增量，電動機電流還未增長，電流調節(jié)器輸入端就存在一個電流 誤差，電流調節(jié)器輸出立即產生一個斬波器占空比增量，該增量作用于整流斬波主電路， 驅使斬波器電流產生一個增量，因此轉子轉矩產生一個增量，該轉矩增量破壞了原來的轉 矩平衡狀態(tài)，電動機開始升速，當電動機速度升到接近給定速度時，速度誤差趨于零，電 流誤差也趨于零，電動機就在新的給定值下穩(wěn)定運轉。反之亦然。調速運行中，轉子轉差 功率通過斬波器源源不斷地送到直流逆變電容器里轉換為電能，再由轉差功率回饋電路將 電容器中的電能送到電網。轉差功率回饋電路由電網快切與短時停電再啟動功能電路、平 波電抗器L2、逆變電流采集用電流霍爾元件、晶閘管逆變器INV與功率因數補償電路組 成。電網快切與短時停電再啟動功能電路，參見附圖1，在電容器C正極與逆變電路電抗 器L2之間，串入一只IGBT (V12)作為逆變器電路過電流保護器件。IGBT集電極與電容 器C正極相連，發(fā)射極與電抗器L2相連，柵極由控制電路板BH控制。IGBT斬波管 封裝中的二極管，其負極與IGBT發(fā)射極及電抗器L2連接，其正極與晶閘管逆變橋的負 極及電容器C負極連接。逆變電流檢測用的電流傳感器安裝在晶閘管逆變器與電抗器L2 的連線上?？刂瓢錌H上裝配逆變過電流檢測及控制電路，逆變器交流電源掉電檢測電路 與相關的控制邏輯電路；逆變器INV由六只晶閘管接成三相橋電路；功率因數補償電路 中的補償電容器結成三角形，三角形各端點與逆變電源之間接入限流電抗器。補償量要依 據電機參數與運行工況確定。電動機反饋繞組電壓通過降壓變壓器T1將副邊電壓( 送到控制板CF與BH，在控制板CF中用作同步電源，在控制板BH中用于斷電檢測。在系統工作的全部過程中，PLC—直在不斷地檢測著啟動設備，DSP與控制板BH的 狀態(tài)，控制調速系統各部分按規(guī)定程序運轉。并不斷檢測各部分的報警與故障， 一旦出現 故障，及時通過啟動設備將調速運轉中的電動機轉全速，同時在人機界面上顯示出故障類 別；若出現報警，只在人機界面上顯示出報警類別，并通知DCS中控室，提醒維修人員 采取相應措施。實施例2:根據附圖2，本實用新型用于普通繞線異步電動機的具體應用實例。圖中M是普通繞 線異步電動機，沒有反饋繞組。轉子轉差功率要通過外饋變壓器WT將轉差功率回饋到電 網，所以，外饋變壓器(WT)的原邊繞組接到電動機定子繞組所接的高壓開關柜的下端， 外饋變壓器副邊繞組接到轉差功率回饋電路SGH的晶閘管逆變器的出線端。其他與實施 例1相同。
權利要求1.一種具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，包括電動機軟啟動設備、轉差率控制調速部分、轉差功率回饋部分和可編程序控制器，其特征在于轉差率控制調速部分包括不控整流器、斬波器與數字信號處理器，實施碼盤脈沖測速與無速度傳感器速度測量，實施電動機速度外環(huán)電流內環(huán)雙環(huán)速度控制與負載工藝外環(huán)控制，同時將轉差功率轉換為直流電功率，送入逆變電容器存儲；轉差功率回饋部分包括電網快切與短時停電再啟動功能電路、逆變器與功率因數補償電路，實現電網快切功能與短時停電再啟動功能，將能量回饋到電網，并補償電動機整體功率因數；可編程控制器實施電動機整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。
2. 根據權利要求1所述的具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 征在于:所述的電網快切功能與短時停電再啟動功能電路，采用可關斷器件IGBT或IGCT 串入逆變電容器與晶閘管逆變器之間，IGBT集電極與電容器C正極相連，IGBT發(fā)射極 與電抗器L2相連，電抗器L2另一端與晶閘管逆變器正極相連，柵極由控制電路控制;IGBT 斬波管封裝中的二極管，其負極與IGBT發(fā)射極及電抗器L2連接，其正極與晶閘管逆變 器的負極及電容器C負極連接，該電路實現電網快速切換功能與短時停電再啟動功能， 最大限度地降低短時停電造成的影響，維護大系統穩(wěn)定可靠地工作。
3. 根據權利要求1所述的具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 征在于所述的電機整體功率因數補償電路，在晶閘管三相逆變橋的交流輸出端接入功 率因數補償電路，隨著電機轉速降低，分級增加補償電容器的數值，保證電機調速系統 在全部調速范圍內維持功率因數為較高值。
4. 根據權利要求1所述的具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 征在于所述的可編程控制器實施電動機整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理，電動機啟動、全速運轉、調速運轉及各種運轉狀態(tài)的操作。
專利摘要本實用新型為一種具有電網快切功能的電動機轉差率控制數字智能調速裝置，包括電動機軟啟動設備、轉差率控制調速部分、轉差功率回饋部分和可編程序控制器，其特征在于轉差率控制調速部分包括不控整流器、斬波器與數字信號處理器；轉差功率回饋部分包括電網快切與短時停電再啟動功能電路、逆變器與功率因數補償電路；可編程控制器實施電動機整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。本實用新型適用于內饋繞線異步電機與普通繞線異步電機，其特點是裝置容量小于電機容量，采用低壓器件，電路簡單，功能完善，性能優(yōu)良，界面友好，操作簡便。
文檔編號H02P23/08GK201174681SQ20082006045
公開日2008年12月31日 申請日期2008年2月2日 優(yōu)先權日2008年2月2日
發(fā)明者張振武 申請人:上海普電節(jié)能科技有限公司