CN105134625A - 一种适于矫正电网功率因素的钛风机及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于矫正电网功率因素的钛风机及工作方法，包括：驱动风叶转动的电机，所述电机的三相电源输入端连接一适于矫正功率因素的链式SVG装置；所述链式SVG装置包括：H电桥多联型的多电平逆变器,自动旁路电路，采样电路，分相电流独立控制电路，脉宽调制电路；本发明利用所述链式SVG装置，矫正由于电机工作造成电网的功率因素下降的问题，提高了变压器的利用率；在所述链式SVG装置中设有备用Ｈ桥单元电路，能再一Ｈ桥单元电路发生故障时，把该故障的Ｈ桥单元电路自动旁路，并且保证H电桥多联型多电平逆变器正常工作，即，矫正电网功率因素。

Description

一种适于矫正电网功率因素的钛风机及工作方法
技术领域
本发明涉及一种钛风机的工作方法。
背景技术
目前，我国一些化工厂在氯碱生产中使用钛风机，钛风机在生产过程中必须持续工作；钛风机的持续工作直接影响电网的带负荷能力；如何对电网进行有效补偿，并且在相应补偿电路或模块出现故障时，无需停机维修保证连续生产是本领域的技术难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适于矫正电网功率因素的钛风机。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种钛风机，包括：在风筒内适于驱动风叶转动的电机，在所述电机外固定有电机护罩，电机护罩上设有引风管，电机与电机护罩之间留有空隙作为通风道；在所述电机的三相电源输入端连接一适于矫正功率因素的链式SVG装置；
所述链式SVG装置包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于所述三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；该多电平逆变器能自动旁路发生故障的Ｈ桥单元电路，以保证H电桥多联型多电平逆变器正常工作，使所述链式SVG装置继续达到矫正功率因素的目的，
自动旁路电路，设于各H电桥单元电路的输出端，且当一H电桥单元电路发生损坏时，将该H电桥单元电路旁路；
采样电路，适于采集所述三相电源的电压和电流的瞬时值；
分相电流独立控制电路，其与所述采样电路相连的适于根据所述三相电源的电压和电流的瞬时值计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角；
脉宽调制电路，与所述分相电流独立控制电路相连，用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制；即，当损坏的H电桥单元电路旁路后，该脉宽调制电路适于在保持所述采样电路的采样周期不变的基础上，改变该损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形。
进一步，所述分相电流独立控制电路，包括：
锁相环，根据所述三相电源的电压的瞬时值以跟踪所述三相电源的电压相位；
无功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
有功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
瞬时电流跟踪模块，用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去所述三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角。
与现有技术相比，本发明的钛风机具有如下优点：（1）利用所述链式SVG装置，矫正由于电机工作造成电网的功率因素下降的问题，提高了变压器的利用率；（2）在所述链式SVG装置中设有备用Ｈ桥单元电路，能再一Ｈ桥单元电路发生故障时，把该故障的Ｈ桥单元电路自动旁路，并且保证H电桥多联型多电平逆变器正常工作，即，矫正电网功率因素；（3）并且在该H桥功率模块发生损坏时，无需停机检修，保证了电网的稳定；（4）脉宽调制电路调节发生损坏的一相H桥功率模块的调制波，有效的避免了谐波产生；（5）通过分相电流独立控制实现了三相电源不平衡输出的补偿问题；（6）本发明通过所加的电机护罩，能有效的使腐蚀气体与电机等部件相隔离，避免腐蚀。
本发明还要解决的技术问题是提供一种适于矫正电网功率因素的钛风机的工作方法。
为了解决上述问题，本发明的钛风机的工作方法，包括：
一种适于链式SVG装置的工作方法，包括：
A：当一H电桥单元电路损坏时，相应的自动旁路电路旁路该H电桥单元电路；
B:所述脉宽调制电路在保持所述采样电路的采样周期不变的基础上，改变所述损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形；
所述分相电流独立控制电路的工作方法包括如下步骤：
（1）通过锁相环根据输入的所述三相电源的电压的瞬时值以跟踪所述三相电源的电压相位；
（2）根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
（3）根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
（4）用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去所述三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角。
与现有技术相比，本发明的所述钛风机的工作方法具有如下优点：（1）通过每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路，使H桥功率模块发生损坏时，自动旁路故障模块，无需停机检修；（2）脉宽调制电路调节发生损坏的一相H桥功率模块的调制波，有效的避免了谐波产生；（3）通过分相电流独立控制实现了三相电源不平衡输出的补偿问题。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1本发明的钛风机的电机连接三相电源和链式SVG装置的结构示意图；
图2本发明的H电桥多联型的多电平逆变器的电路结构图；
图3本发明的分相电流独立控制电路的结构框图；
图4本发明的载波三角波同相单层层叠SPWM调制的波形图；
图5本发明的发生H电桥单元模块发生故障前的脉冲生成时序；
图6本发明的第一种故障H电桥单元模块被旁路后的脉冲生成时序；
图7本发明的第二种故障H电桥单元模块被旁路后的脉冲生成时序。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
如图1所示，一种钛风机，包括：在风筒内适于驱动风叶转动的电机，在所述电机外固定有电机护罩，电机护罩上设有引风管，电机与电机护罩之间留有空隙作为通风道；在所述电机的三相电源输入端连接一适于矫正功率因素的链式SVG装置；
如图2所示，所述链式SVG装置包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于所述三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；
自动旁路电路，设于各H电桥单元电路的输出端，且当一H电桥单元电路发生损坏时，将该H电桥单元电路旁路；
采样电路，适于采集所述三相电源的电压和电流的瞬时值，该瞬时值包括电压和电流的幅值、周期；
分相电流独立控制电路，其与所述采样电路相连的适于根据所述三相电源的电压和电流的瞬时值计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角；
脉宽调制电路，与所述分相电流独立控制电路相连，用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制；即，当损坏的H电桥单元电路旁路后，该脉宽调制电路适于在保持所述采样电路的采样周期不变的基础上，改变该损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形。
见图3，所述分相电流独立控制电路，包括：
锁相环，根据所述三相电源的电压的瞬时值以跟踪所述三相电源的电压相位；
无功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
有功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
瞬时电流跟踪模块，用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去所述三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角。
其中参考电流为期望的补偿电流，直流电压参考值为期望的补偿电压。
所述脉宽调制电路涉及SPWM脉宽调制法，该SPWM脉宽调制法是用一正弦波做调制波，以F倍于正弦调制波频率的三角波做载波进行波形比较而产生的一组幅值相等，宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲列来等效正弦波，从而控制开关器件（即多电平逆变器中的开关器件）的通断。
本发明采用载波三角波移相SPWM控制和载波三角波层叠式SPWM控制的混合控制算法：从整体而言，各H电桥单元电路之间采用载波三角波移相SPWM控制，而单个H电桥单元电路采用层叠式SPWM控制的方法，这种调制方法，输出谐波含量小，开关频率低，且能够很好地解决逆变效率低的问题。
载波三角波移相SPWM控制法，是指对于N个H电桥单元电路，采用N个相位不同，但频率和幅值相同的载波三角波与同一个正弦调制波进行比较，产生出N组SPWM控制脉冲波形分别去控制N个H桥，使各个H电桥单元电路都输出基波电压相同的SPWM电压波形，然后再将这N个H电桥单元电路输出的SPWM电压波形进行叠加而合成出SPWM多电平电压波形。
N个载波三角波的初相位角应该依次移开一个角度，若采用双极性载波三角波，这个角度为；若是单极性载波三角波，角度为。
载波三角波层叠式SPWM控制法是应用比较早的一种多电平逆变器的SPWM调制法。载波三角波层叠式SPWM调制法可以分为两种，即单层层叠式SPWM调制法和多层层叠式SPWM调制法，该两种方法都能达到本专利的技术效果。
载波三角波单层层叠式SPWM调制法根据两个三角载波的相位关系又可分为载波三角波反相单层层叠SPWM调制法（两个载波三角波的相位相反）和载波三角波同相单层层叠SPWM调制法（两个载波三角波的相位相同）。载波三角波反相单层层叠SPWM调制法和载波三角波同相单层层叠SPWM调制法这两中调制方法没有什么优劣之分，本发明采用载波三角波同相单层层叠SPWM调制法。
在载波三角波同相单层层叠SPWM调制法中，两个载波三角波和的相位相同，其工作波形如图4所示。其中和为横轴上、下层的载波三角波，为正弦调制波。用正弦波与三角波进行比较，在正弦波大于三角波的部分会产生输出SPWM脉冲，在正弦波小于三角波的部分会产生输出电压的零脉冲。由于与是同相的，也就是说与不对称于坐标横轴，所以通过正弦波与三角波的比较，产生的输出电压SPWM波形的正半周与负半轴是不相同的。
任取一个H电桥单元电路进行研究，从功率角度分析。设为H电桥单元电路的输出电压，为相电流，为输出电压和相电流的夹角，则H电桥单元电路吸收的有功功率为：，可见，通过改变H电桥单元电路输出电压大小、相电流大小以及它们之间的夹角就能够改变H桥吸收的有功功率。因为相电流的大小和方向固定，所以只能改变H电桥单元电路输出电压的大小和方向，即对应到脉宽调制电路输出的调制比M和移相角。
链式SVG的控制策略采用分层的控制结构：上层控制主要确定总的有功和无功功率，下层控制主要是调节有功在该相各H桥之间的合理分配，保证直流侧电容电压平衡。本发明上层控制的方法采用分相电流独立控制，计算出期望的调制波的调制比和相位角，将各桥直流侧电压的误差量化为正弦函数叠加在该H电桥单元电路的调制波上，对每一个H电桥单元电路的调制波相位进行微调，调节有功在各H电桥单元电路之间的分配。
链式SVG的三相直流侧不存在耦合关系，因而可以实现分相控制，对三相系统分别补偿，对平衡系统和不平衡系统都会有比较好的补偿效果。前段中提出的控制策略，其上层控制采用电流状态完全解耦控制，暂态响应快，稳定性好，但是控制器设计时只考虑了三相平衡时的情况，并没有考虑到三相系统不平衡的问题。对电网质量调查表明，电网电压或多或少存在相位或者幅值的不对称，也就是说在实际情况中，三相系统大多是不平衡的。
自动旁路电路，采用自动旁路技术，自动旁路技术就是直接将故障功率模块交流侧旁路，从而实现故障模块与装置的分离。通过在每个功率单元模块的输出侧设置一个旁路机构来实现自动旁路。
可以采用在各H电桥单元电路的输出端设有一继电器，利用控制常开和常闭状态来实现故障H电桥单元电路与该相H桥功率模块分离；也可以采用整流桥和晶闸管，各H电桥单元电路的输出端连接到两对二极管组成的整流桥，所以晶闸管始终处于正向压降下。当监控系统检测到功率模块内部故障时，立即封锁IGBT脉冲，并触发晶闸管导通，实现旁路分离；或者采用双向晶闸管。
当某一相H桥功率模块中有故障H电桥单元电路被旁路以后，如果脉宽调制电路输出的正弦调制信号的脉冲发送还是按照正常运行时发送，而该链式SVG控制系统的输出却只有N个H电桥单元电路输出电压叠加，谐波含量将会增加。因此，对于剩下的N个非故障H电桥单元电路，调制策略需作相应的调整。
因为载波三角波层叠式SPWM只是在单个H电桥单元电路内部起作用，因此故障模块分离对载波三角波层叠式SPWM调制没有影响，只对载波三角波移相SPWM造成影响。所以，为了方便分析，只对载波三角波移相SPWM进行分析。设N+1个H电桥单元电路串联时，该链式SVG控制系统的载波频率为1/Tc，采样周期为Ts，载波为单极性时，采样周期Ts=Tc/[2(N+1)]。下面给出故障H电桥单元电路分离后两种常用的调整方法。
第一种方法：Tc不变，Ts变化
为了简化分析，选择故障前，设所述多电平逆变器个数为n+1=6，则各相H桥功率模块的采样周期Ts=Tc/12，在0/6Ts、Ts/7Ts、2Ts/8Ts、3Ts/9Ts、4Ts/10Ts、5Ts/11Ts时刻一次采样调制波，并比较生成相应的触发脉冲，如图5所示。
若某一H电桥单元电路因发生故障被分离后（假设第一个H电桥单元电路被分离），如不对调制策略作相应调整，则剩余N个非故障H电桥单元电路的脉冲生成时序如图6(a)所示。从图中可以看出H电桥单元电路0和H电桥单元电路2之间的采样间隔是2Ts，但是其他功率H电桥单元电路之间的采样间隔是Ts，这明显不符合载波移相SPWM调制的基本原理。SVG装置的输出电压的谐波含量必然增加。
设载波周期不变，仍然为Tc，但是将采样周期在Tc内重新调整。如图6(b)所示，由于故障后，所述多电平逆变器的数量变为5，从而调制后的采样周期为Ts’=Tc/10。这样将产生N=5的完整的载波移相输出脉冲。
该方法通过改变故障相（发生故障的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块）的采样周期来调整该相载波移相SPWM的开关调制策略。对该相来说，可以起到很好的调节作用。
第二种方法：Tc变化，Ts不变
当第一个H电桥单元电路发生故障被分离时，保持采样周期Ts不变，调整该相的载波三角波周期。如图7所示。
调整后故障相的载波周期为Tc’，保持其他非故障相的载波周期Tc不变。调整后的脉冲时序如图7(b)所示：在0/5Ts、Ts/6Ts、2Ts/7Ts、3Ts/8Ts、4Ts/9Ts时刻，一次采样调制波生成H桥功率模块的触发脉冲。这样，得到了完整的N=5的载波移相SPWM脉冲调制波形。由于故障相的采样周期在故障模块分离前后没有改变，故障分离后，仍能保证三相电流采样的同步性。
所述分相电流独立控制电路的工作方法。见图3，图中、、、为采集电路采集到三相电压瞬时值；、、为PLL跟踪到的三相电源的电压相位；、、、为各相无功电流参考值；、、为各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值；直流侧电容的电压参考值；、、为采集电路采集到三相电流瞬时值；通过相应的PI控制器可以计算SVG输出电压的参考信号，再进一步根据瞬时无功理论计算出相应的各相无功电流参考值和直流侧电容的电压参考值。上述获得各相无功电流参考值和直流侧电容的电压参考值的具体方法详见文献：杨君,王兆安,邱关源.单相电路谐波及无功电流的一种检测方法[J],电工技术学报,1996(3),11(3):42-46；蒋斌,颜钢锋,赵光宙.单相电路瞬时谐波及无功电流实时检测新方法[J].电力系统自动化，2000(11):36-39。
实施例2
见图1-3，在实施例1的基础上，在所述钛风机的工作方法，包括：
所述链式SVG装置的工作方法包括如下步骤：
A：当一H电桥单元电路损坏时，相应的自动旁路电路旁路该H电桥单元电路；
B:所述脉宽调制电路在保持所述采样电路的采样周期不变的基础上，改变所述损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形；
所述分相电流独立控制电路的工作方法包括如下步骤：
（1）通过锁相环根据输入的所述三相电源的电压的瞬时值以跟踪所述三相电源的电压相位；
（2）根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
（3）根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
（4）用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去所述三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种钛风机的工作方法，钛风机包括：在风筒内适于驱动风叶转动的电机，其特征在于：所述的工作方法包括：在所述电机的三相电源输入端连接一适于矫正功率因素的链式SVG装置；
所述链式SVG装置包括：
H电桥多联型的多电平逆变器，其由连接于所述三相电源的三相H桥功率模块构成，其中，每相H桥功率模块中增设至少一个备用H电桥单元电路；
自动旁路电路，设于各H电桥单元电路的输出端，且当一H电桥单元电路发生损坏时，将该H电桥单元电路旁路；
采样电路，适于采集所述三相电源的电压和电流的瞬时值；
分相电流独立控制电路，其与所述采样电路相连的适于根据所述三相电源的电压和电流的瞬时值计算出脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角δ；
脉宽调制电路，与所述分相电流独立控制电路相连，用于根据所述正弦调制波的调制比M和相位角δ对各H电桥单元电路之间采用的载波三角波移相SPWM进行控制；即，当损坏的H电桥单元电路旁路后，该脉宽调制电路适于在保持所述采样电路的采样周期不变的基础上，改变该损坏的H电桥单元电路所在的一相H桥功率模块的所述载波三角波移相SPWM的载波频率，以获得与该相H桥功率模块中剩余的H电桥单元电路数量相对应的载波三角波移相SPWM的脉冲调制波形。
2.根据权利要求1所述的钛风机，其特征在于，
所述分相电流独立控制电路，包括：
锁相环，根据所述三相电源的电压的瞬时值以跟踪所述三相电源的电压相位；
无功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的余弦量并与一无功电流参考值相乘，以得到实际的无功电流输出；
有功电流给定模块，适于根据所述锁相环得出的电压相位计算出该电压相位的正弦量，同时根据所述各相H桥功率模块的直流侧电容的电压平均值与一直流侧电容的电压参考值相减并经过PI控制后再与所述正弦量相乘，以得到实际的有功电流输出；
瞬时电流跟踪模块，用于先将所述无功电流给定模块和有功电流给定模块输出的电流叠加，然后减去所述三相电源中的瞬时电流，并通过控制器以计算出所述脉宽调制电路所需的正弦调制波的调制比M和相位角δ。
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