一種智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及調(diào)壓調(diào)速電氣傳動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)用戶(hù)的對(duì)電網(wǎng)的期望是提高用戶(hù)側(cè)電能質(zhì)量、提高用電效率和降低電能損耗。然而大型電力電子裝置、非線性電力電子器件、大型沖擊性負(fù)載等的應(yīng)用，造成電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、閃變，產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致功率因數(shù)低、三相不平衡等，這對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來(lái)非常嚴(yán)重的惡劣影響。由于諧波源和導(dǎo)致功率因數(shù)降低的無(wú)功源的分散性，依靠電力系統(tǒng)集中消除諧波源和提供無(wú)功電源是不可能的，因此，國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定了各分散點(diǎn)電壓、頻率偏移幅度的容許范圍，諧波允許范圍，功率因數(shù)獎(jiǎng)懲制度等，使得供電部門(mén)和用戶(hù)需要分散性地配置各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償和消諧波裝置。
[0003]高壓大容量異步電動(dòng)機(jī)是最基本的有功和無(wú)功消耗源之一，其調(diào)速裝置也是電力系統(tǒng)中最主要的諧波源之一，目前常用各類(lèi)無(wú)功補(bǔ)償、消諧波設(shè)備來(lái)減小其調(diào)速裝置的諧波和電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)的污染，這些設(shè)備體積大，笨重，價(jià)格不菲，增加了高壓大容量異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行成本，同時(shí)，由于它們的調(diào)節(jié)是基于諧波和無(wú)功功率超標(biāo)后的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，存在時(shí)間滯后、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述存在的不足，提供一種集消諧波、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)壓調(diào)速等多個(gè)功能于一身，具有成本低，占地面積小，高動(dòng)態(tài)特性和高精度，且其運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的污染極小，廣泛適用于對(duì)超低諧波和高功率因數(shù)運(yùn)行有要求的異步電動(dòng)機(jī)的智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置及方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
一種智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置，包括有高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器、數(shù)字式高壓定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)、諧波檢測(cè)單元、高次諧波濾波器、無(wú)功補(bǔ)償控制器及控制和保護(hù)單元，其特征在于:所述的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)采取了定子的可控硅組件的相角控制及電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻控制相結(jié)合的方案，在設(shè)定轉(zhuǎn)速的-60 %?+ 60 %范圍內(nèi)，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的連續(xù)速度調(diào)節(jié)，此范圍以外通過(guò)開(kāi)環(huán)控制切換轉(zhuǎn)子電阻加速；所述的閉環(huán)控制包括有電流檢測(cè)單元、速度給定單元、斜坡函數(shù)發(fā)生器、速度控制器、電流跟隨器、電流控制器、門(mén)控單元、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元；所述的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)還分別連接有諧波檢測(cè)單元和磁控電抗器兩個(gè)支路；諧波檢測(cè)單元和磁控電抗器分別連接有高次諧波濾波器和無(wú)功補(bǔ)償控制器，并在兩個(gè)支路中均設(shè)置有控制和保護(hù)單元。
[0006]利用上述智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速的方法，其特征在于:在調(diào)速裝置輸出電流時(shí)，根據(jù)預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型和工況，通過(guò)控制和保護(hù)單元及無(wú)功補(bǔ)償控制器同步投入預(yù)先確定需要投入的消諧波量和無(wú)功補(bǔ)償量；同時(shí)對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)工況下整個(gè)調(diào)速裝置產(chǎn)生的諧波和實(shí)際功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制無(wú)功補(bǔ)償控制單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)柔性調(diào)節(jié)補(bǔ)償量；在檢測(cè)到諧波電流異常增大、電壓、電流異常等異常狀況時(shí)，通過(guò)控制和保護(hù)單元切除高壓開(kāi)關(guān)柜的真空斷路器，切除磁控電抗器(MCR)及固定濾波支路(FC)各補(bǔ)償支路。
[0007]在上述方案中，所述的諧波檢測(cè)單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和DSP芯片構(gòu)成，通過(guò)電流互感器測(cè)量負(fù)荷電流，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊變換成數(shù)字信號(hào)，然后送DSP芯片的快速傅立葉變換算法處理，獲得基波及其他諧波分量的大?。恢C波濾波器(FC)由2組5次諧波濾波支路L5、C5及〔5、C5和1組7次諧波濾波支路L7、C7構(gòu)成，各諧波濾波支路由電抗器和電容器(電容值為C)串聯(lián)組成，電抗器的等效電阻值R很微小，電感值L也很微小，所以整個(gè)諧波濾波器(FC)發(fā)出的無(wú)功呈容性。濾波器對(duì)η (ωη=ηω8, ω s為基波頻率)次諧波的阻抗為Zn=Rn+(jnco sLn+l/jnco sCn)，在η次諧波的諧振處，Zn=Rn，因Rn很小，η次諧波電流主要由Rn分流，很少流入電網(wǎng)中，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)η次諧波的補(bǔ)償。
[0008]在上述方案中，所述的調(diào)壓調(diào)速的方法包含有變壓器的接法，采用的接法為至少有一側(cè)繞組采用三角形接法，這種接法的變壓器本身可以消除3次諧波，所以不考慮3次諧波濾波問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量，其諧波成分較高的是5次諧波，其次及7次諧波，高次諧波濾波器只需要對(duì)5次和7次諧波進(jìn)行補(bǔ)償就能夠?qū)崿F(xiàn)消除諧波，諧波檢測(cè)單元將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧波，在其異常增大時(shí)通過(guò)控制和保護(hù)單元和高壓開(kāi)關(guān)柜切除濾波支路并給出報(bào)警信號(hào)。
[0009]在上述方案中，所述的高次諧波濾波器(FC)對(duì)5次、7次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，濾除系統(tǒng)的諧波電流，多余的容量為系統(tǒng)提供容性無(wú)功；磁控電抗器(MCR)為系統(tǒng)提供連續(xù)動(dòng)態(tài)可調(diào)的感性無(wú)功；無(wú)功補(bǔ)償控制器采用基于DSP的全數(shù)字化智能控制，包含數(shù)據(jù)采集單元和無(wú)功補(bǔ)償控制單元；無(wú)功補(bǔ)償控制器通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元跟蹤負(fù)載變化(檢測(cè)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的電流控制器輸出iCZ)、測(cè)量系統(tǒng)的無(wú)功Q (檢測(cè)相電壓u、相電流i)，并輸入給DSP預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型和無(wú)功補(bǔ)償控制算法進(jìn)行處理得到無(wú)功補(bǔ)償量，然后通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償控制單元，調(diào)節(jié)MCR勵(lì)磁回路晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁控電抗器的飽和程度，從而調(diào)節(jié)其感性輸出容量，保證系統(tǒng)所需無(wú)功容量Q動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功的柔性補(bǔ)償。
[0010]DSP的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)輸出的電流iCZ和系統(tǒng)的無(wú)功Q等歷史數(shù)據(jù)與未來(lái)的MCR的無(wú)功補(bǔ)償量的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立的預(yù)測(cè)模型，同時(shí)在本裝置運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)工況修正這個(gè)模型，無(wú)功補(bǔ)償控制算法則跟蹤該模型變化采用預(yù)測(cè)控制算法實(shí)時(shí)輸出無(wú)功補(bǔ)償量。
[0011]控制和保護(hù)單元采用微機(jī)保護(hù)，包括速斷、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、不平衡保護(hù)、諧波超限保護(hù)，同時(shí)具備自診斷能力。
[0012]在上述方案中，所述的磁控電抗器(MCR)采用磁路并聯(lián)漏磁自屏蔽磁路和自藕式直流助磁電路的設(shè)計(jì)技術(shù)，鐵芯采用磁密不飽和的對(duì)稱(chēng)分裂結(jié)構(gòu)，繞組采用上下并聯(lián)左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。采用高可靠性的低壓晶閘管，只承受系統(tǒng)電壓的1 2 %，晶閘管采用自然冷卻方式。
[0013]在上述方案中，系統(tǒng)觸發(fā)等脈沖信號(hào)全部采用光纖進(jìn)行，觸發(fā)方式采用光電觸發(fā)方式。安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明與現(xiàn)有的各類(lèi)外置的無(wú)功補(bǔ)償、消諧波設(shè)備相比，解決了在諧波和無(wú)功超標(biāo)后才進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，使調(diào)速控制具有節(jié)能、高效，高動(dòng)態(tài)和高精度的特點(diǎn)，滿(mǎn)足了國(guó)家對(duì)大型用電設(shè)備的運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)基本無(wú)污染的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的整體閉環(huán)控制原理圖；
圖2為本發(fā)明的消諧波、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償原理圖；
圖3為本發(fā)明的無(wú)功補(bǔ)償控制器和磁控電抗器的工作原理圖；
圖中調(diào)速系統(tǒng)，2諧波檢測(cè)單元，3無(wú)功補(bǔ)償控制器，4控制和保護(hù)單元。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明:
圖1所示智能消諧波高功率因數(shù)高壓定子調(diào)壓調(diào)速裝置，包括有高壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器、數(shù)字式高壓定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)1、諧波檢測(cè)單元2、高次諧波濾波器(FC)、無(wú)功補(bǔ)償控制器3及控制和保護(hù)單元4，其中調(diào)速系統(tǒng)1采取了定子的可控硅組件的相角控制及電動(dòng)機(jī)切換轉(zhuǎn)子電阻控制相結(jié)合的方案。在設(shè)定轉(zhuǎn)速的-60 %?+ 60 %范圍內(nèi)，通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的連續(xù)速度調(diào)節(jié)，此范圍以外通過(guò)開(kāi)環(huán)控制切換轉(zhuǎn)子電阻加速。閉環(huán)控制由電流檢測(cè)單元、速度給定單元、斜坡函數(shù)發(fā)生器、速度控制器、電流跟隨器、電流控制器、門(mén)控單元1、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元構(gòu)成。從靜止到全速運(yùn)行的加速過(guò)程中，首先是閉環(huán)控制過(guò)程，由速度給定單元經(jīng)斜坡函數(shù)發(fā)生器送出信號(hào)，其大小決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。給定信號(hào)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)單元的反饋信號(hào)相減，即AU= U給-U&，其差值A(chǔ)U送至速度控制器、電流跟隨器形成跟隨電流，再與檢測(cè)電流單元的i相比較，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器得到iez，然后送至門(mén)控單元輸出一定相位移的脈沖給可控硅組件的觸發(fā)端，可控硅組件則輸出一定的電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定值相適應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的-60 %?+ 60 %以外時(shí)，去除閉環(huán)控制，開(kāi)環(huán)控制通過(guò)切換轉(zhuǎn)子電