CN106953560A - 一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，该系统包括变压器和变频器，所述变压器和变频器通过预充电电路相连，所述变频器的输出端通过自耦变压器或隔离变压器与高压无刷双馈电机的控制绕组相连，变频器的输出端与自耦变压器或隔离变压器之间设置有投切接触器KM3，变频器的输出端与高压无刷双馈电机的控制绕组之间设置有旁路接触器KM4，所述高压无刷双馈电机的功率绕组通过高压断路器QF1与高压电网相连，所述变频器并对高压无刷双馈电机的功率绕组进行电压测量。其使得高压无刷双馈电机在重载的情况下也可以启动。

Description

一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法。

背景技术

高压无刷双馈电机应用在变频调速领域，主要是利用具有两套定子绕组的特点，一套高压定子绕组为功率绕组，一般接高压电网，另一套为低压定子绕组为控制绕组，接一般接低压变频器，高压无刷双馈电机调速时通过低压变频装置调节控制绕组电源频率达到调速目的。

众所周知，一般低压变频器输出电压在400V左右，而高压无刷双馈电机功率绕组接10kV电网。高压无刷双馈电机一般应用于风机水泵的拖动，其调速范围一般在水泵额定转速20％范围内进行调速，而通过高压无刷双馈电机对其进行调速，只需要提供对应电机的转差功率就接可以满足调速要求，例如500kW的高压无刷双馈电机，当电机运行在同步转速时，低压变频器只需要提供励磁电流，而当转速在同步转速20％以上时，控制绕组需要提供的功率为功率绕组的20％。因此大大节约了调速成本。而高压无刷双馈电机应用于水泵和风机拖动最大的问题就是带重载启动问题，例如潜水泵在启动过程中的启动转矩非常大，采用异步启动无法满足启动转矩要求。目前公开的方法中主要有在控制绕组串接电阻进行启动、采用虚拟电阻进行启动或采用变频器功率开关下桥臂短接进行启动。这些启动方法均有一定的局限性，主要表现为当电机带重载时无法启动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，其使得高压无刷双馈电机在重载的情况下也可以启动。

本发明的解决方案是这样实现的：一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统，包括变压器和变频器，所述变压器和变频器通过预充电电路相连，其中，所述变频器的输出端通过自耦变压器或隔离变压器与高压无刷双馈电机的控制绕组相连，变频器的输出端与自耦变压器或隔离变压器之间设置有投切接触器KM3，变频器的输出端与高压无刷双馈电机的控制绕组之间设置有旁路接触器KM4，所述高压无刷双馈电机的功率绕组通过高压断路器QF1与高压电网相连，所述变频器并对高压无刷双馈电机的功率绕组进行电压测量。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述预充电电路连接在所述变压器的输出端和变频器的输入端之间，所述预充电电路包括投切接触器KM1和与投切接触器KM1并列的投切接触器KM2，所述投切接触器KM1的一端与变压器的输出端相连，另一端与变频器的输入端相连，所述投切接触器KM2的一端与变压器的输出端相连，另一端通过三相电阻与变频器的输入端相连。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，还包括速度位置传感器TW，用于测量高压无刷双馈电机的转子位置与转速。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1断开时，所述变频器通过自耦变压器或隔离变压器对高压无刷双馈电机的控制绕组进行励磁。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1闭合时，所述变频器通过控制高压无刷双馈电机的转矩电流进行对电机转子的速度控制。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，当电机转子的速度稳定后，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，所述高压无刷双馈电机完成了带载启动。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述变频器的输出电压通过自耦变压器或隔离变压器升压后，大于高压电网电压通过电机感应到高压无刷双馈电机的控制绕组的电压。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述自耦变压器或隔离变压器电压变比与高压无刷双馈电机在静止状态下的电压变比满足如下关系：

其中，

变压器电机侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近高压无刷双馈电机一侧的变压器线圈匝数；

变压器变频器侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近变频器一侧的变压器线圈匝数；

电机控制绕组匝数，为高压无刷双馈电机控制绕组的匝数；

电机功率绕组匝数，为高压无刷双馈电机功率绕组的匝数。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述变频器容量为所述高压无刷双馈电机的额定功率的一半。

本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，还提供了一种高压无刷双馈电机重载启动控制方法，包括以下步骤：

S1、开机准备，确认高压断路器QF1为断开状态、旁路接触器KM4为断开状态；

S2、闭合投切接触器KM3，使高压无刷双馈电机的功率绕组电压升压；

S3、计算所述高压无刷双馈电机的功率绕组电压矢量与控制绕组电压矢量的差值△V；

S4、判断差值△V是否小于高压电网矢量幅值的10％，若是，则闭合高压断路器QF1，若否，则跳转到步骤S3；

S5、控制高压无刷双馈电机的转速，以使高压无刷双馈电机的转速达到同步转速；

S6、停止对高压无刷双馈电机进行速度和电流控制，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，启动完成。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：本发明所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，在启动开始时，将投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1断开，变频器通过自耦变压器或隔离变压器对高压无刷双馈电机控制绕组进行励磁，此时高压无刷双馈电机处于静止状态，可以看作一个变压器，功率绕组会感应出相应的电压，当功率绕组电压矢量与电网电压矢量小于10％时，则闭合高压断路器QF1；高压断路器QF1闭合后，进入调速程序，此时根据控制绕组额定电流或高压无刷双馈电机的负荷情况，限制控制绕组的最大电流来启动高压无刷双馈电机，直到其达到同步转速，以功率绕组1对极，控制绕组3对极电机为例，其同步转速为750rpm；进入同步转速后，短接变频器功率开关下桥臂，同时闭合变压器旁路开关KM4，断开自耦变压器或隔离变压器与变频器之间的投切接触器KM3。此时电机进入异步运行状态；切换变频器中的电机参数，高压无刷双馈电机变频调速系统从异步运行状态切换到双馈运行状态，完成高压无刷双馈电机重载启动过程。本发明所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，在电机重载启动过载中电流是完全可控的，启动电流最大电流由负载大小、变频器容量、电机控制绕组额定电流决定。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一种实施方式中高压无刷双馈电机重载启动控制系统的原理图；

图2为本发明一种实施方式中高压无刷双馈电机重载启动控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例如下，如图1所示，一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统，包括变压器和变频器，所述变压器和变频器通过预充电电路相连，其中，所述变频器的输出端通过自耦变压器或隔离变压器与高压无刷双馈电机的控制绕组相连，所述自耦变压器或隔离变压器用于提高变频器的输出电压；变频器的输出端与自耦变压器或隔离变压器之间设置有投切接触器KM3，所述投切接触器KM3负责投切变压器；变频器的输出端与高压无刷双馈电机的控制绕组之间设置有旁路接触器KM4，所述旁路接触器KM4,用于在变压器切除后连接变频器输出与高压无刷双馈电机的控制绕组；所述高压无刷双馈电机的功率绕组通过高压断路器QF1与高压电网相连，所述高压断路器QF1用于连接高压无刷双馈电机的功率绕组与高压电网；所述变频器并对高压无刷双馈电机的功率绕组进行电压测量，所述变频器内部结构与通用变频器类似，不同点是增加了功率绕组电压测量。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述预充电电路连接在所述变压器的输出端和变频器的输入端之间，所述预充电电路包括投切接触器KM1和与投切接触器KM1并列的投切接触器KM2，所述投切接触器KM1的一端与变压器的输出端相连，另一端与变频器的输入端相连，所述投切接触器KM2的一端与变压器的输出端相连，另一端通过三相电阻与变频器的输入端相连。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，还包括速度位置传感器TW，用于测量高压无刷双馈电机的转子位置与转速。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1断开时，所述变频器通过自耦变压器或隔离变压器对高压无刷双馈电机的控制绕组进行励磁。控制励磁电流直到功率绕组电压矢量与电网电压矢量差值小于电网电压的10％，满足该条件后，变频器控制系统闭合功率绕组高压短路器QF1闭合。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1闭合时，所述变频器通过控制高压无刷双馈电机的转矩电流进行对电机转子的速度控制。在电机启动过程中控制器最大限制电流应该由负载和电机额定电流共同决定。变频器进行调速后，首先将电机转速控制到同步转速，速度给定可以加斜坡进行控制。当电机转速达到同步转速，变频器控制系统停止进行速度和电流控制，短接逆变器下桥臂。此时电机从双馈控制运行状态切换到异步运行状态。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，当电机转子的速度稳定后，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，所述高压无刷双馈电机完成了带载启动。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，自耦变压器或隔离变压器电压变比选择应保证高压无刷双馈电机在启动静止情况下电流可控，也就是需要满足，所述变频器的输出电压通过自耦变压器或隔离变压器升压后，大于高压电网电压通过电机感应到高压无刷双馈电机的控制绕组的电压。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述自耦变压器或隔离变压器电压变比与高压无刷双馈电机在静止状态下的电压变比满足如下关系：

其中，

变压器电机侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近高压无刷双馈电机一侧的变压器线圈匝数；

变压器变频器侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近变频器一侧的变压器线圈匝数；

电机控制绕组匝数，为高压无刷双馈电机控制绕组的匝数；

电机功率绕组匝数，为高压无刷双馈电机功率绕组的匝数。

在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述变频器容量为所述高压无刷双馈电机的额定功率的一半。

如图2所示，一种高压无刷双馈电机重载启动控制方法，包括以下步骤：

S1、开机准备，确认高压断路器QF1为断开状态、旁路接触器KM4为断开状态；

S2、闭合投切接触器KM3，使高压无刷双馈电机的功率绕组电压升压；

S3、计算所述高压无刷双馈电机的功率绕组电压矢量与控制绕组电压矢量的差值△V；

S4、判断差值△V是否小于高压电网矢量幅值的10％，若是，则闭合高压断路器QF1，若否，则跳转到步骤S3；

S5、控制高压无刷双馈电机的转速，以使高压无刷双馈电机的转速达到同步转速；

S6、停止对高压无刷双馈电机进行速度和电流控制，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，启动完成。

如图2所示，后续操作与其他启动方式基本一致，变频控制系统重新通过旁路接触器KM4切换到双馈控制状态，进行转速环和电流闭环控制，这时高压无刷双馈电机启动和控制完成。其中，电流环控制程序和速度换控制程序，可以采用现有已知的程序，再次不再赘述。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：本发明所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，在启动开始时，将投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1断开，变频器通过自耦变压器或隔离变压器对高压无刷双馈电机控制绕组进行励磁，此时高压无刷双馈电机处于静止状态，可以看作一个变压器，功率绕组会感应出相应的电压，当功率绕组电压矢量与电网电压矢量小于10％时，则闭合高压断路器QF1；高压断路器QF1闭合后，进入调速程序，此时根据控制绕组额定电流或高压无刷双馈电机的负荷情况，限制控制绕组的最大电流来启动高压无刷双馈电机，直到其达到同步转速，以功率绕组1对极，控制绕组3对极电机为例，其同步转速为750rpm；进入同步转速后，短接变频器功率开关下桥臂，同时闭合变压器旁路开关KM4，断开自耦变压器或隔离变压器与变频器之间的投切接触器KM3。此时电机进入异步运行状态；切换变频器中的电机参数，高压无刷双馈电机变频调速系统从异步运行状态切换到双馈运行状态，完成高压无刷双馈电机重载启动过程。本发明所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统和方法，在电机重载启动过载中电流是完全可控的，启动电流最大电流由负载大小、变频器容量、电机控制绕组额定电流决定。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压无刷双馈电机重载启动控制系统，包括变压器和变频器，所述变压器和变频器通过预充电电路相连，其特征在于，

所述变频器的输出端通过自耦变压器或隔离变压器与高压无刷双馈电机的控制绕组相连，变频器的输出端与自耦变压器或隔离变压器之间设置有投切接触器KM3，变频器的输出端与高压无刷双馈电机的控制绕组之间设置有旁路接触器KM4，所述高压无刷双馈电机的功率绕组通过高压断路器QF1与高压电网相连，所述变频器并对高压无刷双馈电机的功率绕组进行电压测量。

2.根据权利要求1所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，所述预充电电路连接在所述变压器的输出端和变频器的输入端之间，所述预充电电路包括投切接触器KM1和与投切接触器KM1并列的投切接触器KM2，所述投切接触器KM1的一端与变压器的输出端相连，另一端与变频器的输入端相连，所述投切接触器KM2的一端与变压器的输出端相连，另一端通过三相电阻与变频器的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，还包括速度位置传感器TW，用于测量高压无刷双馈电机的转子位置与转速。

4.根据权利要求3所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1断开时，所述变频器通过自耦变压器或隔离变压器对高压无刷双馈电机的控制绕组进行励磁。

5.根据权利要求4所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，当投切接触器KM3闭合，旁路接触器KM4断开，高压断路器QF1闭合时，所述变频器通过控制高压无刷双馈电机的转矩电流进行对电机转子的速度控制。

6.根据权利要求5所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，当电机转子的速度稳定后，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，所述高压无刷双馈电机完成了带载启动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，所述变频器的输出电压通过自耦变压器或隔离变压器升压后，大于高压电网电压通过电机感应到高压无刷双馈电机的控制绕组的电压。

8.根据权利要求7所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，所述自耦变压器或隔离变压器电压变比与高压无刷双馈电机在静止状态下的电压变比满足如下关系：

其中，

变压器电机侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近高压无刷双馈电机一侧的变压器线圈匝数；

变压器变频器侧匝数，为自耦变压器或隔离变压器靠近变频器一侧的变压器线圈匝数；

电机控制绕组匝数，为高压无刷双馈电机控制绕组的匝数；

电机功率绕组匝数，为高压无刷双馈电机功率绕组的匝数。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的高压无刷双馈电机重载启动控制系统，其特征在于，所述变频器容量为所述高压无刷双馈电机的额定功率的一半。

10.一种高压无刷双馈电机重载启动控制方法，包括以下步骤：

S1、开机准备，确认高压断路器QF1为断开状态、旁路接触器KM4为断开状态；

S2、闭合投切接触器KM3，使高压无刷双馈电机的功率绕组电压升压；

S3、计算所述高压无刷双馈电机的功率绕组电压矢量与控制绕组电压矢量的差值△V；

S4、判断差值△V是否小于高压电网矢量幅值的10％，若是，则闭合高压断路器QF1，若否，则跳转到步骤S3；

S5、控制高压无刷双馈电机的转速，以使高压无刷双馈电机的转速达到同步转速；

S6、停止对高压无刷双馈电机进行速度和电流控制，将旁路接触器KM4闭合，同时迅速将投切接触器KM3断开，启动完成。