CN101882779A - 带差动保护的高压变频调速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带差动保护的高压变频调速装置，包括供电单元、功率模快、信号采集单元、信号处理单元、CPU、控制单元、输入输出接口和受控电机，信号采集单元包括3个电流互感器，三相受控电机每相的进线、出线都穿过同1个电流互感器，三相受控电机的3个出线穿过电流互感器后短接；3个电流互感器测得的电流信号，经处理后送入CPU，CPU实时监测所述电流信号的变化情况，当CPU监测到所述的电流信号发生变化超过预定值时，CPU通过输入输出接口对外发出保护动作信号。本发明当大容量高压电机采用变频器供电，工作频率在25-40Hz时，不仅能够实现实时保护，而且消耗材料少，性能可靠。

Description

带差动保护的高压变频调速装置

[技术领域]

本发明涉及高压电机的变频调速控制，尤其涉及一种带差动保护的高压变频调速装置。

[背景技术]

高压变频调速装置，已广泛应用于冶金、有色、石化、电力、机械、建材、港口码头等行业。

1、对于大容量高压电机，其绕组内部的绝缘情况很难了解，内部发生短路故障不容易发现，而由于大容量电机结构复杂，短路故障比较容易发生。大容量电机价格高、损失大，所以大容量电机都装设监视电机绕组内部故障情况的差动保护装置，通过监视电机绕组二端的电流差值来判断电机内部是否有故障，实现对大容量电机短路保护的目的。

2、目前国内微机型差动保护装置是根据行业标准微机保护通用技术条件设计的。通用技术条件规定额定参数：频率50Hz。当工作电流频率偏离50Hz时，灵敏度下降，出现误动作。但是，电机采用变频装置供电后，实际工作频率一般为50Hz以下，当工作频率在25-40Hz时，传统的微机型差动保护装置将无法正常工作，不能达到保护目的，因此电机采用变频器供电后，都将差动保护取消，只是通过流等状态间接反映是否有绕组内部故障，很不准确，难以实现对电机的实时保护。

3、常规差动保护(仅能保护非变频调速电机)和电机绕组的每一相都需要两个电流互感器，当发生短路时(仅能保护非变频调速电机)，两互感器二次电流差值达到保护装置动作值时，保护装置动作。这种保护对电机相间短路及其电缆短路都起作用。但它有如下缺点：

(1)需要两组性能完全一致的互感器，不仅消耗材料多，互感器性能的差异还会引起误动作。

(2)一般开关柜距电机较远，常规差动保要求差动电缆截面较粗不经济。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种带差动保护的高压变频调速装置，当大容量高压电机采用变频器供电，工作频率在25-40Hz时，能够实现实时保护，而且消耗材料少，性能可靠。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种带差动保护的高压变频调速装置，包括供电单元、功率模快、信号采集单元、信号处理单元、CPU、控制单元、输入输出接口和受控电机，所述的信号采集单元包括3个电流互感器，三相受控电机每相的进线、出线都穿过同1个电流互感器，穿过同1个电流互感器进线、出线的电流方向相反，三相受控电机的3个出线穿过电流互感器后短接；3个电流互感器测得的电流信号，经信号采集单元及信号处理单元处理后送入CPU，CPU实时监测所述电流信号的变化情况，当CPU监测到所述的电流信号发生变化超过预定值时，CPU通过输入输出接口对外发出保护动作信号。

所述的功率模块包括3个高压功率单元，每个高压功率单元包括复数个串联连接的三相输入、单相输出的低压逆变功率单元；3个高压功率单元的输出星形连接，3个高压功率单元之间的电压相位差互为120度，构成驱动受控电机所需的变频三相高压电源。

每个低压逆变功率单元包括输出旁路装置，当某个低压逆变功率单元出现故障时，控制单元控制故障低压逆变功率单元停止其主电路的工作并将故障低压逆变功率单元输出旁路，同时停止另外二相上与所述故障单元对应的低压逆变功率单元的工作并将它们分别旁路。

根据权利要求3所述的带差动保护的高压变频调速装置，当当某个低压逆变功率单元出现故障时，控制单元通过输入输出接口对外发出旁路告警信号。

所述的供电单元采用多绕组隔离变压器，所述多绕组隔离变压器的副边有复数个相互隔离的三相绕组，每3个三相绕组组成1个同相位组，分别向功率模块内的3个对应的低压逆变功率单元独立供电，多绕组隔离变压器同相位组的数量与每个高压功率单元中串联的低压逆变功率单元数量相同。

本发明带差动保护的高压变频调速装置把高压变频调速及差动保护功能整合为一体，在同一个中央处理器下工作运行，本发明的信号采集单元安装3个电流互感器，三相受控电机每相的进线、出线都穿过同1个电流互感器，当大容量高压电机采用变频器供电，工作频率在25-40Hz时，能够实现实时保护，而且消耗材料少，性能可靠。本发明具有很好的应用前景和市场价值。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明带差动保护的高压变频调速装置实施例低压逆变功率单元的原理图。

图2是本发明带差动保护的高压变频调速装置实施例的原理图。

[具体实施方式]

该装置主要由供电单元、功率模快、信号采集、信号处理、CPU、控制单元和输入输出接口组成，

1、供电单元

采用多绕组隔离变压器，变压器的副边有多个相互隔离的三相绕组，每3个三相绕组组成1个同相位组，分别向功率模块内的3个对应的低压逆变功率单元独立供电，形成6脉冲整流输入。例如，6KV等级的高压变频调速装置可以设6个同相位组，10KV等级的高压变频调速装置可以设9个同相位组。

2、功率模块(变频逆变三相高压电源)

功率模块包括3个高压功率单元，每个高压功率单元由复数个串联连接的三相输入、单相输出的低压逆变功率单元串联而成。也就是说全部低压逆变功率单元分成三组，每组串联的低压逆变功率单元数量相同，构成同样的高压功率单元。组与组之间的电压相位差为120度，将三组串联的低压逆变功率单元的输出星形连接，即可得到驱动电机所需的可变压变频的三相高压电源。例如，6KV等级的高压变频调速装置的高压功率单元由6个低压逆变功率单元串联而成；10KV等级的高压变频调速装置的高压功率单元由9个低压逆变功率单元串联而成。

每个低压逆变功率单元都配置有输出旁路装置，当某个低压逆变功率单元出现故障时，在控制单元的控制下可停止其工作并将其输出旁路(即单元旁路)，同时主动停止另外二相上与之对应的单元的工作并将它们旁路，这样，尽管三相输出电压有所下降，但可达到三相平衡，系统可以维持降额运行，不停机。

功率模块内单个低压逆变功率单元的内部结构如图1所示：

输入电源端R、S、T接供电单元内变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

低压逆变功率单元通过光纤接收控制单元的控制信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式，控制Q1～Q4、4个IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个低压逆变功率单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，U1和U2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，U1和U2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，U1和U2的输出电压状态为零。

低压逆变功率单元具有旁路功能。当某个低压逆变功率单元发生熔断器故障、过热、过压和IGBT故障而不能继续工作时，该低压逆变功率单元及其另外两相对应位置上的低压逆变功率单元在控制单元的控制下自动旁路，此时Q1～Q4封锁输出，可控硅K导通，以保证设备连续工作，由控制单元发出旁路告警。

3、信号采集单元

如图2所示，受控电机的每相进出线都穿过一个电流互感器，把该电流互感器所测量的电流信号，经信号采集及信号处理单元处理后送入CPU，CPU实时监测该电流信号的大小变化情况，电机的三个出线经电流互感器后再短接，正常情况下，电流互感器中由于磁路平衡不产生二次电流，但是当电机内部短路或发生其它故障时，电流互感器中就要产生不平衡，当CPU采集到这一电流信号发生变化时，CPU通过输入输出接口电路对外发出保护动作信号，从而起到电机差动保护作用。

4、CPU

CPU采用高速DSP数字处理器，它是差动保护的高压变频调速装置的“大脑”，负责整个系统的协调控制和运行。

5、控制单元

控制单元主要任务如下：

1)接受来自CPU的控制命令，通过控制功率模块生成电机需要的高压变频电流，完成对电机的变频调速度控制并把命令的执行结果反馈给CPU

2)通过与输入输出单元通信达到与外界进行互动：接收来自输入输出单元的用户命令或系统参数设置并在CPU的协调控制下完成任务。

3)当CPU发现电机内部短路或发生其它故障时，CPU采集到这一电流变化时，CPU通过控制单元控制输入输出接口电路对外发出保护动作信号，从而起到电机差动保护作用。

6、输入输出接口单元

1)用于接受来自输入输出单元的用户命令或系统参数设置，并把该信号传送给控制单元，从而完成与用户的互动。

2)接受来自控制单元的控制命令，对外发出保护动作信号，从而起到电机差动保护作用。

本发明的有益效果：

1)电机的差动保护功能不受工作电流频率影响，可以完全满足变频电机差动保护需要

传统微机型电机差动保护都是基于相量差动原理的，即利用离散傅里叶算法根据一个周波采样点计算出电流的实、虚部，再计算出差动电流和制动电流的幅值和相位，通过比较构成动作判据。然而目前国内微机型差动保护装置是根据行业标准微机保护通用技术条件设计的。通用技术条件规定额定参数：频率50Hz。当工作电流频率偏离50Hz时，灵敏度下降，出现误动作。

而电机采用变频装置供电后，工作频率一般为50Hz以下。如当工作在25-40Hz时，传统的微机型差动保护装置将无法正常工作，不能起到保护目的。

本发明的带差动保护的高压变频调速装置把电机的每相进出线都穿过电流互感器，电机的三个出线经电流互感器后再短接，正常情况下，电流互感器中由于磁路平衡不产生二次电流，但是当电机内部短路或发生其它故障时，电流互感器中就要产生不平衡，当CPU采集到这一电流变化时，CPU对外发出保护动作信号，从而起到电机保护作用。该方法是直接测量电机绕组输入和输出的电流差值，不需要进行复杂计算，因此本方法反应速度快、不受工作电流的频率限制，可以方便地运用于变频调速电动机的差动保护。

2)高压变频调速功能与差动保护功能整合为一体，整定、调试更简单

现有变频调速装置都没有差动保护功能，如对电机保护需另外配置专用的电机保护设备，增加了设备成本、体积及调试的复杂性。本发明的带差动保护的高压变频调速装置在现有高压变频调速装置的软硬件基础上增加了电流信号采集、信号处理单元，使得高压变频调速功能与差动保护功能整合为一体，并且在同一个中央处理器下工作运行，这样不但可以有效保护高压电机，还可以很好地保护高压变频调速装置，同时与高压变频调速装置另配置独立的电机保护设备相比，降低了成本、减小体积，并降低了调试的复杂性。经实践证明该系列装置技术先进可靠，完全满足高压电机的变频调速需要和差动保护需要。

3)只需3个CT便可实现差动保护，不单解决了常规差动保护不能用于变频电机的问题而且用于普通非变频电机的差动保护时，结构也更简单、性能更可靠。

本实施例与常规差动保护相比有如下优点：

(1)常规差动保护需要两组性能完全一致的互感器，性能差异会引起误动。本发明的差动保护只需装3个CT(互感器)，比常规差动保护少了3个CT，因此彻底解决了要求CT技术特性一致的问题。

(2)一般开关柜距电机较远，常规差动保要求差动电缆截面较粗不经济。而本发明的差动保护装置，由于每相进出的两根线都穿过CT，在电机没有内部相间短路时，电流回路中几乎没有不平衡电流，所以本发明的差动保护装置中的差动保护动作电流可以整定的很小。因此也可采用小变比的CT和更细的差动电缆，本发明的差动保护装置中的差动保护不但避免了因两组CT的特性误差引起的误动，保护整定也更简单，而且具有高灵敏度的优点。

Claims (5)

1.一种带差动保护的高压变频调速装置，包括供电单元、功率模快、信号采集单元、信号处理单元、CPU、控制单元、输入输出接口和受控电机，其特征在于，所述的信号采集单元包括3个电流互感器，三相受控电机每相的进线、出线都穿过同1个电流互感器，穿过同1个电流互感器进线、出线的电流方向相反，三相受控电机的3个出线穿过电流互感器后短接；3个电流互感器测得的电流信号，经信号采集单元及信号处理单元处理后送入CPU，CPU实时监测所述电流信号的变化情况，当CPU监测到所述的电流信号发生变化超过预定值时，CPU通过输入输出接口对外发出保护动作信号。

2.根据权利要求1所述的带差动保护的高压变频调速装置，其特征在于，所述的功率模块包括3个高压功率单元，每个高压功率单元包括复数个串联连接的三相输入、单相输出的低压逆变功率单元；3个高压功率单元的输出星形连接，3个高压功率单元之间的电压相位差互为120度，构成驱动受控电机所需的变频三相高压电源。

3.根据权利要求2所述的带差动保护的高压变频调速装置，其特征在于，每个低压逆变功率单元包括输出旁路装置，当某个低压逆变功率单元出现故障时，控制单元控制故障低压逆变功率单元停止其主电路的工作并将故障低压逆变功率单元输出旁路，同时停止另外二相上与所述故障单元对应的低压逆变功率单元的工作并将它们分别旁路。

4.根据权利要求3所述的带差动保护的高压变频调速装置，其特征在于，当当某个低压逆变功率单元出现故障时，控制单元通过输入输出接口对外发出旁路告警信号。

5.根据权利要求2所述的带差动保护的高压变频调速装置，其特征在于，所述的供电单元采用多绕组隔离变压器，所述多绕组隔离变压器的副边有复数个相互隔离的三相绕组，每3个三相绕组组成1个同相位组，分别向功率模块内的3个对应的低压逆变功率单元独立供电，多绕组隔离变压器同相位组的数量与每个高压功率单元中串联的低压逆变功率单元数量相同。

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