CN101527539B - 抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法，该系统包括整流器、升压斩波器、抗逆变颠覆保护单元和SCR逆变器，本系统适用于普通绕线及内反馈绕线异步电动机、绕笼式无刷双馈电动机和绕笼型内反馈无刷电动机，解决了因电网电压大幅降低或消失瞬间导致逆变颠覆的问题，抗逆变颠覆保护单元确保当因电网电压瞬间大幅降低或消失时，不致产生逆变颠覆，并实现逆变电路和保护环节的无缝换接，电动机转速基本维持不变，特别适用于生产工艺不允许设备转速有明显波动的场合，系统可靠性高，控制简单方便。

Description

抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及交流电动机调速控制技术领域，特别涉及一种抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法。

背景技术

中高压电动机广泛使用于风机和水泵的拖动，若能利用调速来实现风量和水压调节，则可以节约大量的电能，所以市场对性能优良、成本适中的中高压调速系统的需求非常旺盛。

近年来开发出斩波式转子变频调速系统，如中国专利CN200710122573.1公开了一种IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统，其电动机转子侧接不可控整流器及晶闸管逆变器，在整流器和逆变器之间加入一级升压斩波器，工作时晶闸管(SCR)逆变器的触发移相超前角β固定在最小值不变，直流逆变电压固定，通过改变斩波器的占空比来改变转子电压(频率)，实现调速。这种斩波式转子变频调速系统比传统的串级调速功率因数高，谐波小。但是，SCR逆变器在电网电压突然大幅度降低或消失時，很容易发生逆变颠覆，损坏设备，尽管原系统已设有防逆变颠覆保护，但通过实际使用发現，原来的斩波式转子变频调速系统仍然存在下面两个问题：在电网故障或同电网的大电动机起动使供电电压突然大幅度降低或消失時，SCR逆变器将会发生逆变颠覆，此时防逆变颠覆保护启动，使逆变回路断开，同时短接转子直流回路，于是电动机转速上升至接近全速，即在防逆变颠覆换接过程中，设备的速度波动很大，有的生产过程是不允许的。逆变回路的断开用IGBT管实现，而短接转子直流回路由SCR完成，由于IGBT与SCR响应的时间差问题，换接瞬间往往会引起过压和过流而启动过压过流保护，切除调速系统转入全速或水阻调速运行，甚至过大的电流会使高压开关跳闸停机，严重的影响生产，增加操作人员的劳动强度。

如图1所示，为现有的斩波式转子变频调速系统主电路图，其防逆变颠覆的保护由串联在直流回路的一只IGBT和与整流桥并联的一只SCR实现，当电网电压过低或逆变电流过大时，导通SCR同时断开IGBT，此时虽然断开了逆变回路，能防止逆变颠覆的发展，但电动机转子回路由于SCR的导通而短接，则电动机加速至全速运行，可能产生设备不允许的速度波动；另外，IGBT的开关时间远比SCR的快，配合不好时，IGBT的断开在SCR导通前，则转子绕组会感应高电压，造成系统因过压过流而跳闸，甚至损坏设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法，以解决因电网电压大幅降低或消失瞬间导致逆变颠覆的问题，使设备的速度波动最小。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，包括电动机系统、调速系统和控制系统，所述调速系统分别与所述电动机系统、控制系统连接，所述电动机系统与所述控制系统连接，所述调速系统包括不可控整流器、升压斩波器、接触器和逆变器，所述升压斩波器包括第一电感、第一二极管、第一电容、第一场效应晶体管，在所述升压斩波器和所述逆变器之间还连接有抗逆变颠覆保护单元和第二电感，

所述抗逆变颠覆保护单元包括第二场效应晶体管、第七电阻、第八二极管、晶闸管、快速二极管、第九电阻、第九二极管、第三电容、第八电阻、第十二极管和第三场效应晶体管，所述第二场效应晶体管的基极与所述控制系统连接，所述第二场效应晶体管的漏极分别与所述第七电阻的一端、所述晶闸管的输入端、所述第八二极管输入端连接，所述第七电阻的另一端分别与所述第八二极管的输出端、所述快速二极管的输入端、所述第十二极管的输出端连接，所述快速二极管的输出端通过第九电阻与所述第九二极管的输入端连接，所述晶闸管的输出端和所述第九二极管的输出端分别与所述第三电容的一端、所述第八电阻的一端连接，所述第二场效应晶体管的源极分别与所述晶闸管的输出端、所述第三电容的另一端、所述第八电阻的另一端和所述第三场效应晶体管的源极连接，所述第三场效应晶体管的漏极与所述第十二极管的输入端连接，所述第三场效应晶体管的基极与所述控制系统连接，所述逆变器通过所述第二电感与所述第三场效应晶体管的漏极连接，所述接触器分别与所述电动机系统和所述逆变器连接。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，所述第七电阻为大功率电阻，且其阻值与所述电动机系统的电动机的设定转速匹配。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，在所述接触器与所述电动机系统之间连接有逆变变压器。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，所述控制系统替换为DSP或单片机或DSP+PLC或单片机+PLC。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，所述电动机包括中压普通绕线式异步电动机、中压内反馈绕线式异步电动机、中压绕笼式无刷双馈电动机和中压绕笼型内反馈无刷电动机。

另一方面，本发明还提供一种抗逆变颠覆无缝换接控制方法，包括以下步骤：

1)、调速系统正常时，抗逆变颠覆保护单元的第二场效应晶体管导通，第三场效应晶体管断开，电动机系统的电动机的转子直流回路为变频调速工作状态；

2)、控制系统判断当前电网电压是否小于或等于设定最小值，如果小于或等于所述设定最小值，则执行步骤4，否则，执行步骤3；

3)、所述控制系统判断当前电网电流是否大于或等于设定最大值，如果大于或等于所述设定最大值，则执行步骤4，否则，执行步骤2；

4)、所述控制系统判定所述调速系统为逆变颠覆的初期状态，闭合所述第三场效应晶体管，断开所述第二场效应晶体管，封锁第一场效应晶体管的触发信号，逆变器从所述转子直流回路断开，启动抗逆变颠覆保护单元，所述电动机系统的电动机进行速度转接；

5)、所述电动机系统的电动机的转子保持转接前的速度运转；

6)、所述控制系统判断当前电网电电压是否在预定的第一时间内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤7，否则，执行步骤8；

7)、所述控制系统闭合所述第三场效应晶体管，断开所述第二场效应晶体管，恢复所述第一场效应晶体管的触发信号，所述逆变器导通，关闭抗逆变颠覆保护单元，所述电动机系统的电动机进行速度反转接，切换回所述变频调速工作状态；

8)、所述控制系统判断当前电网电电压是否在预定的第二时间内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤9，否则，执行步骤6；

9)、所述控制系统将所述电动机系统的电动机切换到可调液阻器调速状态。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接控制方法，还包括：

如果所述转子直流回路在换接过程或所述电动机系统的电动机在变频调速运行中发生过电压，则所述抗逆变颠覆保护单元的快速二极管因电压超过其阀值而使所述抗逆变颠覆保护单元的晶闸管导通，同时，所述控制系统发一触发脉冲给所述晶闸管，确保所述晶闸管可靠导通，保护所述转子直流回路。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的抗逆变颠覆保护单元能确保当因电网电压瞬间大幅降低或消失时，不致产生逆变颠覆，并实现逆变电路和保护环节的无缝换接，电动机转速基本维持不变，特别适用于生产工艺不允许设备转速有明显波动的场合，系统可靠性高，控制简单方便。

附图说明

图1是现有的斩波式转子变频调速系统的主电路原理图；

图2是本发明的用于中压普通绕线式异步电动机的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的电路原理图；

图3是图2中抗逆变颠覆保护单元NFD的主电路原理图；

图4是本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制方法流程图；

图5是本发明的用于中压内反馈绕线式异步电动机的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的主电路原理图；

图6是本发明的用于中压绕笼式无刷双馈电动机的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的主电路原理图；

图7是本发明的用于中压绕笼型内反馈无刷电动机的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的主电路原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统及其控制方法的具体实施方式进行描述：

参考图2和图3，本发明的用于中压普通绕线式异步电动机的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统包括：包括电动机系统MD、调速系统FC和控制系统PLC，调速系统FC分别与电动机系统MD、控制系统PLC连接，电动机系统MD与控制系统PLC连接，调速系统FC包括不可控整流器DR、升压斩波器BC、接触器KM4和逆变器TI，升压斩波器BC包括第一电感LS1、第一二极管SD1、第一电容C、第一场效应晶体管1CS，第一电感LS1的一端与不可控整流器DR的一端连接，第一电感LS1的另一端分别与第一二极管SD1的一端、第一场效应晶体管1CS的漏极连接，第一二极管SD1的另一端分别与第一电容C的一端、逆变器TI连接，不可控整流器DR的另一端分别与第一场效应晶体管1CS的源极、第一电容C的另一端、逆变器TI连接，第一场效应晶体管1CS的基极与控制系统PLC连接，接触器KM4分别与电动机系统MD和逆变器TI连接。

其中，调速系统FC还包括抗逆变颠覆保护单元NFD和第二电感LS2，抗逆变颠覆保护单元NFD包括第二场效应晶体管2CS、第七电阻R7、第八二极管D8、晶闸管SCR、快速二极管BOD、第九电阻R9、第九二极管D9、第三电容C3、第八电阻R8、第十二极管D10和第三场效应晶体管3CS，第二场效应晶体管2CS的基极与控制系统PLC连接，第二场效应晶体管2CS的漏极分别与第七电阻R7的一端、晶闸管SCR的输入端、第八二极管D8输入端连接，第七电阻R7的另一端分别与第八二极管D8的输出端、快速二极管BOD的输入端、第十二极管D10的输出端连接，快速二极管BOD的输出端通过第九电阻R9与第九二极管D9的输入端连接，晶闸管SCR的输出端和第九二极管D9的输出端分别与第三电容C3的一端、第八电阻R8的一端连接，第二场效应晶体管2CS的源极分别与晶闸管SCR的输出端、第三电容C3的另一端、第八电阻R8的另一端和第三场效应晶体管3CS的源极连接，第三场效应晶体管3CS的漏极与第十二极管D10的输入端连接，第三场效应晶体管3CS基极与控制系统PLC连接，逆变器TI通过第二电感LS2与第三场效应晶体管3CS的漏极连接。

其中，本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，第七电阻R7为大功率电阻，且其阻值与电动机系统MD的电动机的设定转速匹配。

其中，本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，在接触器KM4与电动机系统MD之间连接有逆变变压器Taw。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，控制系统PLC替换为DSP或单片机或DSP+PLC或单片机+PLC。

其中，第二场效应晶体管2CS、第三场效应晶体管3CS为全可控绝缘门双极晶体管IGBT，电动机在转子变频调速运行时，实时监测逆变电源或电网电压和逆变电流，当电网电压降到设定最小值或电网电流超过设定最大值时，即时导通第二场效应晶体管2CS，然后关断第三场效应晶体管3CS，并封锁升压斩波器BC的触发信号，由于第二场效应晶体管2CS支路串有第七电阻R7，故此时电动机转子直流回路是串电阻调速运行而不是转子短路全速运行，并且换接时转速的波动很小。往往电网电压波动只是短暂发生，例如同电网的大容量电动机起动瞬间，经过短暂时间，若电压恢复正常，系统即自动反向换接，导通第三场效应晶体管3CS，断开第二场效应晶体管2CS，开放升压斩波器BC的触发信号，电动机恢复转子变频调速状态，同样换接过程速度波动很小。如果在规定的时间内，电压仍不能达到正常值，则系统自动转到液阻器FR调速运行，由于液阻器FR调速是实时跟踪转子变频调速的，故亦不会出现速度波动。

参考图4，本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制方法，该方法实时监测逆变电压或电网电压和电网电流，当异常时，启动投入抗逆变颠覆保护单元，在规定时间内，若电压恢复正常，则自动切除抗逆变颠覆保护单元，否则转换到液阻器FR调速，三种运行状态的切换均不出现明显的速度变化，其工作步骤详细说明如下：

1)、调速系统正常时，抗逆变颠覆保护单元NFD的第二场效应晶体管2CS导通，第三场效应晶体管3CS断开，相当于不启动投入抗逆变颠覆保护单元，电动机系统MD的电动机的转子直流回路为变频调速工作状态。

2)、控制系统PLC判断当前电网电压是否小于或等于设定最小值，如果小于或等于设定最小值，则执行步骤4，否则，执行步骤3。

3)、控制系统PLC判断当前电网电流是否大于或等于设定最大值，如果大于或等于设定最大值，则执行步骤4，否则，执行步骤2。

4)、控制系统PLC判定调速系统为逆变颠覆的初期状态，闭合第三场效应晶体管3CS，断开第二场效应晶体管2CS，封锁第一场效应晶体管1CS的触发信号，逆变器TI从转子直流回路断开，启动抗逆变颠覆保护单元NFD，电动机系统MD的电动机进行速度转接，避免逆变颠覆的产生和发展。

5)、电动机系统MD的电动机的转子保持转接前的速度运转，抗逆变颠覆保护单元NFD的2CS支路串有一大功率第七电阻R7，当抗逆变颠覆保护单元启动时，相当于电动机转子串电阻运行，第七电阻R7选用了合适的电阻值，可使电动机的转速与换接前相当，转速不会产生明显的波动。

6)、控制系统PLC判断当前电网电电压是否在预定的60秒内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤7，否则，执行步骤8。

7)、控制系统PLC闭合第三场效应晶体管3CS，断开第二场效应晶体管2CS，恢复第一场效应晶体管1CS的触发信号，逆变器TI导通，关闭抗逆变颠覆保护单元NFD，电动机系统MD的电动机进行速度反转接，切换回变频调速工作状态。

8)、控制系统PLC判断当前电网电电压是否在预定的180秒内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤9，否则，执行步骤6。

9)、控制系统PLC将电动机系统MD的电动机切换到可调液阻器调速状态。当超过规定的180秒时间电网电压仍未恢复正常，则系统自动切换到可调液阻器调速，由于液阻调速器总是跟踪转子变频调速，故同样实现了无缝换接。

适合于本发明的用调速系统的驱动电动机有四类：中压普通绕线式异步电动机(见图2)、中压内反馈绕线式异步电动机(见图5)、中压绕笼式无刷双馈电动机(见图6)和中压绕笼型内反馈无刷电动机(见图7)。

本发明的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统解决了因电网电压大幅降低或消失瞬间导致逆变颠覆的问题，其抗逆变颠覆保护单元确保当因电网电压瞬间大幅降低或消失时，不致产生逆变颠覆，并实现逆变电路和保护环节的无缝换接，电动机转速基本维持不变，特别适用于生产工艺不允许设备转速有明显波动的场合，系统可靠性高，控制简单方便。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，包括电动机系统(MD)、调速系统(FC)和控制系统(PLC)，所述调速系统(FC)分别与所述电动机系统(MD)、控制系统(PLC)连接，所述电动机系统(MD)与所述控制系统(PLC)连接，所述调速系统(FC)包括不可控整流器(DR)、升压斩波器(BC)、接触器(KM4)和逆变器(TI)，所述升压斩波器(BC)包括第一电感(LS1)、第一二极管(SD1)、第一电容(C)、第一场效应晶体管(1CS)，其特征在于，

在所述升压斩波器(BC)和所述逆变器(TI)之间还连接有抗逆变颠覆保护单元(NFD)和第二电感(LS2)，

所述抗逆变颠覆保护单元(NFD)包括第二场效应晶体管(2CS)、第七电阻(R7)、第八二极管(D8)、晶闸管(SCR)、快速二极管(BOD)、第九电阻(R9)、第九二极管(D9)、第三电容(C3)、第八电阻(R8)、第十二极管(D10)和第三场效应晶体管(3CS)，所述第二场效应晶体管(2CS)的基极与所述控制系统(PLC)连接，所述第二场效应晶体管(2CS)的漏极分别与所述第七电阻(R7)的一端、所述晶闸管(SCR)的输入端、所述第八二极管(D8)输入端连接，所述第七电阻(R7)的另一端分别与所述第八二极管(D8)的输出端、所述快速二极管(BOD)的输入端、所述第十二极管(D10)的输出端连接，所述快速二极管(BOD)的输出端通过第九电阻(R9)与所述第九二极管(D9)的输入端连接，所述晶闸管(SCR)的输出端和所述第九二极管(D9)的输出端分别与所述第三电容(C3)的一端、所述第八电阻(R8)的一端连接，所述第二场效应晶体管(2CS)的源极分别与所述晶闸管(SCR)的输出端、所述第三电容(C3)的另一端、所述第八电阻(R8)的另一端和所述第三场效应晶体管(3CS)的源极连接，所述第三场效应晶体管(3CS)的漏极与所述第十二极管(D10)的输入端连接，所述第三场效应晶体管(3CS)的基极与所述控制系统(PLC)连接，所述逆变器(TI)通过所述第二电感(LS2)与所述第三场效应晶体管(3CS)的漏极连接，所述接触器(KM4)分别与所述电动机系统(MD)和所述逆变器(TI)连接。

2.根据权利要求1所述的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，其特征在于，

所述第七电阻(R7)为大功率电阻，且其阻值与所述电动机系统(MD)的电动机的设定转速匹配。

3.根据权利要求2所述的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，其特征在于，

在所述接触器(KM4)与所述电动机系统(MD)之间连接有逆变变压器(Taw)。

4.根据权利要求3所述的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，其特征在于，

所述控制系统(PLC)替换为DSP或单片机或DSP+PLC或单片机+PLC。

5.根据权利要求4所述的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统，其特征在于，

所述电动机包括中压普通绕线式异步电动机、中压内反馈绕线式异步电动机、中压绕笼式无刷双馈电动机和中压绕笼型内反馈无刷电动机。

6.一种权利要求1至5任意一项所述的抗逆变颠覆无缝换接电动机调速控制系统的抗逆变颠覆无缝换接控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、调速系统正常时，抗逆变颠覆保护单元(NFD)的第二场效应晶体管(2CS)导通，第三场效应晶体管(3CS)断开，电动机系统(MD)的电动机的转子直流回路为变频调速工作状态；

2)、控制系统(PLC)判断当前电网电压是否小于或等于设定最小值，如果小于或等于所述设定最小值，则执行步骤4，否则，执行步骤3；

3)、所述控制系统(PLC)判断当前电网电流是否大于或等于设定最大值，如果大于或等于所述设定最大值，则执行步骤4，否则，执行步骤2；

4)、所述控制系统(PLC)判定所述调速系统为逆变颠覆的初期状态，闭合所述第三场效应晶体管(3CS)，断开所述第二场效应晶体管(2CS)，封锁第一场效应晶体管(1CS)的触发信号，逆变器(TI)从所述转子直流回路断开，启动抗逆变颠覆保护单元(NFD)，所述电动机系统(MD)的电动机进行速度转接；

5)、所述电动机系统(MD)的电动机的转子保持转接前的速度运转；

6)、所述控制系统(PLC)判断当前电网电电压是否在预定的第一时间内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤7，否则，执行步骤8；

7)、所述控制系统(PLC)闭合所述第三场效应晶体管(3CS)，断开所述第二场效应晶体管(2CS)，恢复所述第一场效应晶体管(1CS)的触发信号，所述逆变器(TI)导通，关闭抗逆变颠覆保护单元(NFD)，所述电动机系统(MD)的电动机进行速度反转接，切换回所述变频调速工作状态；

8)、所述控制系统(PLC)判断当前电网电电压是否在预定的第二时间内恢复正常，如果恢复正常，则执行步骤9，否则，执行步骤6；

9)、所述控制系统(PLC)将所述电动机系统(MD)的电动机切换到可调液阻器(FR)调速状态。

7.根据权利要求6所述的抗逆变颠覆无缝换接控制方法，其特征在于，还包括：如果所述转子直流回路在换接过程或所述电动机系统(MD)的电动机在变频调速运行中发生过电压，则所述抗逆变颠覆保护单元(NFD)的快速二极管(BOD)因电压超过其阀值而使所述抗逆变颠覆保护单元(NFD)的晶闸管(SCR)导通，同时，所述控制系统(PLC)发一触发脉冲给所述晶闸管(SCR)，确保所述晶闸管(SCR)可靠导通，保护所述转子直流回路。

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