CN102255516A - 高压变频器及其风机水泵应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高压变频器及其风机水泵应用系统，该高压变频器包括：依次连接的电源输入端、隔离变压器、多个功率单元，以及用于控制所述多个功率单元向电动机提供电压的控制单元和用于向所述控制单元提供管网测量数据的传感单元。本发明采用变频调速控制，通过改变风机和水泵的转速，从而改变风机风量和水泵流量以适应生产工艺的需求，而且运行能耗最省，综合效益最高，可以实现无级调速，并且可以方便的组成闭环控制系统，实现恒压或恒流量的控制；本发明风机水泵应用系统无需外加控制系统，只需要接入温度或压力传感器，做简单设置，就能实现智能温度控制或压力控制，通过本系统可以快速将变频器应用到实际生产中。

Description

高压变频器及其风机水泵应用系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术和微电子技术领域，具体涉及一种采用变频调速控制的高压变频器及其风机水泵应用系统。

背景技术

一般风机、水泵系统大多数是靠阀门来调节出水流量或压力，挡板这种调节方式是以增加管网损耗，耗费大量能源为代价的，因此，不可避免的造成电能的浪费。而且由于设计时，系统是按最大的负载来设计的，在实际运行当中，绝大部分时间系统是不可能运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以就存在较大的节能潜力。

采用变频调速控制装置，通过改变风机和水泵的转速，从而改变风机风量和水泵流量以适应生产工艺的需求，而且运行能耗最省，综合效益最高。所以变频调速是高效的最佳调速方案，它可以实现无级调速，并且可以方便的组成闭环控制系统，实现恒压或恒流量的控制。一般变频器只是变频调节执行器，应用于风机水泵等负载需要另外加控制系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种无需外加控制系统，只需要接入温度或压力传感器，做简单设置，就能实现智能温度控制或压力控制的高压变频器及其应用系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高压变频器，包括：依次连接的电源输入端、隔离变压器、多个功率单元，以及用于控制所述多个功率单元向电动机提供电压的控制单元和用于向所述控制单元提供管网测量数据的传感单元。

优选地，所述控制单元将传感单元提供的管网测量数据与设定的参考值进行比较，根据比较结果调节所述多个功率单元，以向电动机提供相应的电压。

优选地，所述控制单元包括PID控制器，所述PID控制器包括比例单元P、积分单元I和微分单元D；PID控制器把收集到的所述管网测量数据和设定的参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，以让系统的数据达到或者保持在参考值；所述PID控制器能够根据历史数据和差别的出现率来调整输入值。

优选地，当PID控制器运行在低频时间超过设定的节能时间后，变频器进入自动休眠状态；当压力或温度测量值小于设定值时，变频器启动唤醒模式，自己进入调节功能。

优选地，所述传感单元测量的数据包括管网温度和压力。

优选地，若所述传感单元测量的数据大于报警上限或小于报警下限时，则传感单元进行报警。

优选地，所述功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构。

优选地，通过所述电源输入端输入三相交流电源，每个功率单元分别由隔离变压器的一组副边供电，每相由9个功率单元串联而成。

优选地，所述功率单元之间及隔离变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法。

本发明还提供一种具有上述高压变频器的风机水泵应用系统，还包括：

电机参数设置单元，用于设置电动机的相关参数；

变送器设置单元，用于设置变送器的相关参数；

节能设置单元，用于设置节能相关参数；

应用宏设置单元，用于设定应用现场和设备。

(三)有益效果

本发明高压变频器采用变频调速控制，通过改变风机和水泵的转速，从而改变风机风量和水泵流量以适应生产工艺的需求，而且运行能耗最省，综合效益最高，可以实现无级调速，并且可以方便的组成闭环控制系统，实现恒压或恒流量的控制。本发明风机水泵应用系统无需外加控制系统，只需要接入温度或压力传感器，做简单设置，就能实现智能温度控制或压力控制，通过本系统可以快速将变频器应用到实际生产中。

附图说明

图1是本发明高压变频器的结构框图；

图2是本发明高压变频器一实施例的主电路拓扑结构图；

图3是本发明高压变频器一实施例中变频器输入电压及电流示意图；

图4是本发明高压变频器一实施例中电动机输入线电压及电流示意图；

图5是本发明应用系统一实施例的进入界面图；

图6是本发明应用系统一实施例的电机参数设置界面图；

图7是本发明应用系统一实施例的变送器设置界面图；

图8是本发明应用系统一实施例的节能设置界面图；

图9是本发明应用系统一实施例的应用宏设置界面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的高压变频器，包括：依次连接的电源输入端10、隔离变压器20、多个功率单元30，以及用于控制所述多个功率单元30向电动机提供电压的控制单元40和用于向所述控制单元40提供管网测量数据的传感单元50。

传感单元50为温度或压力传感器，采集管网的温度或压力值，传递给控制单元40，传递的信号为标准信号：0-20mA、4-20mA、0-10V；然后控制单元40根据温度或压力值与设定值进行比较，根据比较结果调节功率单元30，以向电动机提供相应的电压。调节方式采用PID方式。

所述控制单元包括PID控制器(比例-积分-微分控制器)，包括比例单元P、积分单元I和微分单元D。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

如图2所示，为本发明高压变频器一实施例的示意图，通过电源输入端输入三相交流电源，电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。输出电压等级10KV，每相由9个额定电压为750V的功率单元串联而成，线电压达10KV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。

如图3和图4所示，分别为变频器输入电压及电流示意图和电动机输入线电压及电流示意图，电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。

与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。

功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。

如图5～图9所示，本发明所述具有上述述高压变频器的风机水泵应用系统，还包括：电机参数设置单元，用于设置电动机的相关参数；变送器设置单元，用于设置变送器的相关参数；节能设置单元，用于设置节能相关参数；应用宏设置单元，用于设定应用现场和设备。

本发明风机水泵应用系统一实施例使用过程如下：

(1)首先进入系统；

(2)设定电机的相关参数；

(3)设定变送器(压力变送器、流量变送器、温度变送器)的相关参数，具备报警功能。

传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

(4)节能功能：

当PID运行在低频时间超过设定节能时间后，变频器进入自动休眠状态(0HZ)。当压力或温度测量值小于设定值时，变频器启动唤醒模式，自己进入调节功能。

(5)应用宏功能：

宏功能：是某一功能的集合。计算机科学里的宏是一种抽象的根据一系列预定义的规则替换一定的文本模式。

设置现场使用行业，如：钢铁厂、水泥厂、自来水厂、煤矿等。

设置设备包括：出铁口除尘风机、高温风机、一次风机、二次风机、煤磨风机、矿槽除尘风机、水泥磨风机、自来水厂水泵等。

本实施例中高压变频器及其风机水泵应用系统基本性能如下：

●变频器为高-高结构10KV高压直接输入，10KV直接输出，没有输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式；

●系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压380VAC控制电源和控制信号线即可，整套系统在出厂前进行整体负载测试并随机提供整体测试报告(包括变压器在内)；

●54脉冲二极管整流输入符合并优于IEEE519～1992及GB/T14549～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求，变频器输入谐波电流小于2％；

●在30～100％的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数(无需功率因数补偿装置)无需滤波器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通10KV异步电机，电机不必降额使用，具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；

●变频器输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1％。变频器有共振点频率跳跃功能；

●对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；

●变频器内部具有可编程逻辑控制功能，可以方便实现和现场的接口及通讯；

●在输入4～20mA给定信号丢失时，变频器能保持原运行工况不变，一旦给定信号恢复有效时，变频器可以自动跟踪给定信号运行；

●变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有高压情况下用低压电进行空载调试；

●控制采用速度闭环矢量控制，控制精度高；

●变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在±10％范围内变频器能满载工作，在30％的电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸(降载运行)，40％的电压下降可以短时运行，电网瞬时失电5个周期可满载运行不跳闸，轻载时时间更长；

●满负荷时，系统效率高于96.5％(含输入变压器、变频器)；

●PC机界面为中文界面，操作简单直观；

●控制系统采用全数字微机控制，有自诊断功能；

●电机参数自动检测、控制系统参数自动优化；

●变频器具有自动故障记录，故障分析功能；

●变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好；

●控制系统具有在线检测变频器输入电压、电流、输入有功功率、无功功率、输入功率因素、累计用电量、输出电压、电流、功率、频率、电机转速等；

●用户可调的数字表，可显示速度，电流，电压，功率，用电度数等。

本实施例中高压变频器及其风机水泵应用系统技术数据如下：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压变频器，其特征在于，包括：依次连接的电源输入端(10)、隔离变压器(20)、多个功率单元(30)，以及用于控制所述多个功率单元(30)向电动机提供电压的控制单元(40)和用于向所述控制单元(40)提供管网测量数据的传感单元(50)。

2.如权利要求1所述的高压变频器，其特征在于，所述控制单元(40)将传感单元(50)提供的管网测量数据与设定的设定值进行比较，根据比较结果调节所述多个功率单元(30)，以向电动机提供相应的电压。

3.如权利要求2所述的高压变频器，其特征在于，所述控制单元包括PID控制器，所述PID控制器包括比例单元P、积分单元I和微分单元D；PID控制器把收集到的所述管网测量数据和设定值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，以让系统的数据达到或者保持在参考值；所述PID控制器能够根据历史数据和差别的出现率来调整输入值。

4.如权利要求3所述的高压变频器，其特征在于，当PID控制器运行在低频时间超过设定的节能时间后，变频器进入自动休眠状态；当压力或温度测量值小于设定值时，变频器启动唤醒模式，自己进入调节功能。

5.如权利要求1所述的高压变频器，其特征在于，所述传感单元(50)测量的数据包括管网温度和压力。

6.如权利要求1所述的高压变频器，其特征在于，若所述传感单元(50)测量的数据大于报警上限或小于报警下限时，则传感单元(50)进行报警。

7.如权利要求1所述的高压变频器，其特征在于，所述功率单元(30)为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构。

8.如权利要求1所述的高压变频器，其特征在于，通过所述电源输入端(10)输入三相交流电源，每个功率单元(30)分别由隔离变压器(20)的一组副边供电，每相由9个功率单元(30)串联而成。

9.如权利要求8所述的高压变频器，其特征在于，所述功率单元(30)之间及隔离变压器(20)二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法。

10.一种具有权利要求1-9中任意一项所述高压变频器的风机水泵应用系统，其特征在于，还包括：

电机参数设置单元，用于设置电动机的相关参数；

变送器设置单元，用于设置变送器的相关参数；

节能设置单元，用于设置节能相关参数；

应用宏设置单元，用于设定应用现场和设备。

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