CN111585497A - 一种基于变频器分时复用的电气传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频器分时复用的电气传动系统，属于电气传动领域，包括：若干台通用公共变频器、开关阵列、若干台辅机电动机及综合管理监控装置；各通用公共变频器与开关阵列连接；开关阵列与各辅机电动机连接；综合管理监控装置与通用公共变频器及开关阵列连接；综合管理监控装置，用于在某台目标辅机电动机需要使用时，选择空闲的目标通用公共变频器，并接通开关阵列中与目标通用公共变频器及目标辅机电动机连通的线路，加载与目标辅机电动机对应的控制参数，由控制参数控制目标通用公共变频器驱动目标辅机电动机运转。通过本发明大幅降低了设备配置数量，在减少设备数量的同时增大了系统的运行可靠性，能够提高电气传动系统的集成度。

Description

一种基于变频器分时复用的电气传动系统

技术领域

本发明属于电气传动领域，更具体地，涉及一种基于变频器分时复用的电气传动系统。

背景技术

随着船舶电气传动技术的发展，基于电机驱动的传动装置正逐渐取代传统气动、液压传动装置，大量不同功能的风机、水泵以及电动舵装置等电气传动辅机设备已在现代船舶中广泛应用。为实现节能降噪，通常需要为这类电机驱动的传动装置一对一配置变频器以实现传动装置转速调节或动作精确控制。

船舶辅机设备往往使用工况不同，如有些水泵仅用于低速航行工况，有些风机仅在舱室温度过高时开启。此外，为提高系统运行可靠性，通常需要对辅机电动机及其变频器采用一用一备的冗余配置方案。上述船舶辅机配置的特点导致全船辅机变频器同时使用系数较低，大量专用的变频器处于“空闲”工作状态，造成船舶总体资源利用率低、通用性差，设计的集成度低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于变频器分时复用的电气传动系统，由此解决当前船舶电气传动系统中大量配置的专用变频器同时使用系数低，长期处于空闲工作状态，船舶电气传动系统设计集成度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于变频器分时复用的电气传动系统，包括：若干台通用公共变频器、开关阵列、若干台辅机电动机及综合管理监控装置；

各所述通用公共变频器的输出端与所述开关阵列的输入端连接；所述开关阵列的输出端与各所述辅机电动机连接；所述综合管理监控装置与各所述通用公共变频器及所述开关阵列连接；

所述综合管理监控装置，用于在某台目标辅机电动机需要使用时，选择处于空闲状态的目标通用公共变频器，并接通所述开关阵列中与所述目标通用公共变频器及所述目标辅机电动机连通的线路，加载与所述目标辅机电动机对应的控制参数，由所述控制参数控制所述目标通用公共变频器驱动所述目标辅机电动机运转。

优选地，所述开关阵列中包括若干个可控开关以及开关阵列控制单元；

各所述通用公共变频器通过所述可控开关与每个所述辅机电动机连接，其中，一个所述可控开关用于连接一个所述通用公共变频器与一个所述辅机电动机；

所述开关阵列控制单元，用于与所述综合管理监控装置进行通信，以控制相应的可控开关动作，接通所述开关阵列中与所述目标通用公共变频器及所述目标辅机电动机连通的线路。

优选地，所述综合管理监控装置，具体用于根据所需执行的任务及当前系统运行工况，选择所述目标通用公共变频器并将所述目标辅机电动机的控制参数发送给所述目标通用公共变频器，同时选择合适的开关阵列导通路径，将导通指令发送给所述开关阵列控制单元，以由所述开关阵列控制单元根据所述导通指令控制连接所述目标通用公共变频器与所述目标辅机电动机之间的可控开关导通，选通所述开关阵列的导通路径。

优选地，所述综合管理监控装置，还用于在运行工况改变需要关闭所述目标辅机电动机，启动另一台目标辅机电动机时，向所述目标通用公共变频器发送停机指令，待停机完成后，向所述开关阵列控制单元发送新的导通指令，以由所述开关阵列控制单元根据所述新的导通指令控制连接所述目标通用公共变频器与所述另一台目标辅机电动机之间的可控开关导通，并将所述另一台目标辅机电动机的控制参数载入所述目标通用公共变频器进行执行，以实现通用公共变频器的分时复用。

优选地，所述综合管理监控装置，还用于在所述目标通用公共变频器发生故障失效时，启用剩余通用公共变频器中处于空闲状态的通用公共变频器以替代所述目标通用公共变频器，从而达到备份的效果。

优选地，所述通用公共变频器包括：控制电路、通信电路、母线电压检测电路、相电流检测电路、信号调理电路、模数转换电路及模块功率主电路；

由所述综合管理监控装置发送的控制参数通过所述通信电路处理后由所述控制电路加载，所述控制电路根据电流反馈信号发送SVPWM控制信号控制所述模块功率主电路，进而控制辅机电动机运行，其中，所述电流反馈信号是实际三相电流通过所述相电流检测电路、所述信号调理调理电路及所述模数转换电路形成的，用于实现对电机转速、功率的控制，所述模块功率主电路的控制参数根据所述母线电压检测电路检测的电网电压值进行调解。

优选地，所述辅机电动机为三相交流电动机，其通过输出轴驱动风机、水泵及其他辅机机械设备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)使用通用公共变频器取代传统电气传动系统辅机电动机的专用变频器，提升了设备利用率；(2)多台通用公共变频器硬件功能相同，可互为备份，提高了系统的通用性和运行可靠性；(3)使用综合管理监控装置对整个系统集中管理，并能对辅机电动机控制程序和控制参数在线配置，大幅提高了系统的智能化水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于变频器分时复用的电气传动系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种开关阵列的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种通用公共变频器控制原理图；

其中，1为通用公共变频器，2为开关阵列，3为综合管理监控装置，4为辅机电动机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明设计了一种基于变频器分时复用的电气传动系统，采用通用公共变频器及开关阵列驱动不同类型的辅机电动机，大幅减少了变频器数量，提高了总体资源利用率和设备通用性，使系统集成度更高。广泛适用于电气传动系统。

如图1所示是本发明实施例提供的一种基于变频器分时复用的电气传动系统的结构示意图，图1中的通用公共变频器1及辅机电动机4的数量不应理解为对本发明的唯一性限定，还可以使用其它数量的通用公共变频器及辅机电动机。

本发明针对船舶电气传动辅机设备种类多、不同辅机使用工况不同、备份冗余安全性要求高的特点，采取“硬件分时复用，软件按需配置”的思路，配置若干台通用公共变频器1，将各通用公共变频器1输出端与开关阵列2的输入端连接，开关阵列2的输出端与各辅机电动机4连接，综合管理监控装置3与各通用公共变频器1及开关阵列2连接；

其中，综合管理监控装置3，用于在某台目标辅机电动机需要使用时，选择处于空闲状态的目标通用公共变频器，并接通开关阵列中与目标通用公共变频器及目标辅机电动机连通的线路，加载与目标辅机电动机对应的控制参数，由该控制参数控制目标通用公共变频器驱动目标辅机电动机运转。

在本发明实施例中，上述通用公共变频器包含驱动模块和控制模块，其中，驱动模块采用直流输入滤波电路及由IGBT电力电子功率器件组成的三相桥式电路作为主回路，将直流电网供电的电能转换成电动机运行所需的交流电能。控制模块采用DSP或ARM等芯片作为主控芯片，通过霍尔电流传感器获取电机定子电流的实时状态反馈，通过I/O接口发出控制指令信号控制IGBT电力电子功率器件的导通和关断。控制模块内的DSP或ARM控制软件采用模块化设计方案，预存感应电机、永磁电机等常用交流电动机的控制程序，可由综合管理监控装置通过网络通信的方式对DSP或ARM控制程序中与辅机运行特性相关的参数进行动态配置。

在本发明实施例中，开关阵列包含若干可控开关、若干汇流排以及开关阵列控制单元，可控开关和汇流排连接形成配电网络，实现多台通用公共变频器和多台辅机电动机的连接，通过不同可控开关的导通、关断组合方式可实现多台通用公共变频器和多台辅机电动机间的连通组合。每个可控开关的触点信号由开关阵列控制单元进行控制，开关阵列控制单元能与综合管理监控装置进行网络通信，获取当前所需的运行设备组合，其中，一个可控开关用于连接一个通用公共变频器与一个辅机电动机，可控开关的数量可以根据需要确定，汇流排的数量与通用公共变频器的数量相同。

在本发明实施例中，开关阵列控制单元可以是PLC控制单元，或者其他控制元器件，本发明实施例不做唯一性限定。

在本发明实施例中，辅机电动机为一台三相交流电动机，其通过输出轴驱动风机、水泵及其他辅机机械设备实现其特定功能。

在本发明实施例中，综合管理监控装置可以包含处理器、加固液晶显示屏、提供电能的电源和通信模块。综合管理监控装置中的处理器可根据所需执行的任务及当前系统运行工况进行分析计算，并将分析计算结果在加固液晶显示屏进行显示，选择合适的通用公共变频器并通过通信模块将相应辅机电动机控制参数发送给选择的通用公共变频器，同时计算选择合适的开关阵列导通路径，通过通信模块将导通指令发送给开关阵列的开关阵列控制单元，控制接触器选通所需的导通路径。

以三台通用公共变频器及六台辅机电动机为例对本发明进行详细说明。如图1所示，对于某船舶电气传动系统，辅机电动机a1与辅机电动机a2互为备用，辅机电动机b1与辅机电动机b2互为备用，辅机电动机c1与辅机电动机c2互为备用，在某工况下，需要辅机电动机a1与辅机电动机a2中启动一台，辅机电动机b1与辅机电动机b2中启动一台。根据上述使用需求，综合管理监控装置3分析当前空闲的通用公共变频器1和开关阵列2的状态，选择通用公共变频器A驱动辅机电动机a1，选择通用公共变频器B驱动辅机电动机b2，因此综合管理监控装置3将辅机电动机a1的控制参数通过网络载入通用公共变频器A，将辅机电动机b2的控制参数通过网络载入通用公共变频器B，并将导通指令发送给开关阵列2中的PLC控制单元，由PLC控制单元对开关阵列2中的开关进行选通，以连通通用公共变频器A与辅机电动机a1之间的线路，和通用公共变频器B与辅机电动机b2之间的线路。若运行工况改变，需要关闭辅机电动机b2，启动辅机电动机c1时，可由综合管理监控装置3向通用公共变频器B发送停机指令，待停机完成后，由综合管理监控装置3向开关阵列2中的PLC控制单元发送新的导通指令，以连通通用公共变频器B与辅机电动机c1之间的线路，并将辅机电动机c1的控制程序载入通用公共变频器B进行执行，实现通用公共变频器的分时复用。若通用公共变频器A和通用公共变频器B中任意一台故障失效时，可启用通用公共变频器C替代其功能，从而达到备份的效果。

图2给出了适用于某船舶电气传动系统的开关阵列结构形式的一种示例。该开关阵列具有三个输入接口与三台通用公共变频器连接，六个输出接口与六台辅机电动机连接，十八个可控开关用于连接选通对应的通用公共变频器和辅机电动机。可控开关的导通和关断均可由PLC控制单元进行控制。由于开关阵列中各可控开关为独立配置，任一输出点可由三个可控开关供电，因此开关阵列具有较高的冗余度和可靠性。

如图3所示，通用公共变频器包含DSP控制电路、CAN总线通信电路、母线电压检测电路、相电流检测电路、信号调理电路、模数转换电路及模块功率主电路等。综合管理监控装置发送的控制参数通过CAN总线通信电路处理后由DSP控制电路加载，DSP控制电路根据电流反馈信号发送SVPWM控制信号控制模块功率主电路，进而控制辅机电动机运行，其中，电流反馈信号是实际“三相电流”通过相电流检测电路、信号调理调理电路及模数转换电路形成的，用于实现对电机转速、功率的控制。

其中，母线电压检测电路用于检测电网电压值，从而调节模块功率主电路的控制参数；

相电流检测电路用于将实际的三相电流通过电流传感器测量得到可以响应的电流信号；

信号调理电路用于对电流信号进行调理变换，使其便于进行信号采样；

模数转换电路用于实现信号采样，将模拟量的电流信号采样生成数字量的电流值，从而便于DSP进行控制。

本发明的基于变频器分时复用的船舶电气传动系统不同于传统辅机电动机与变频器一一对应的配置方式，将传统专用变频器变为分时复用的通用公共变频器，大幅降低了设备配置数量，在减少设备数量的同时增大了系统的运行可靠性，能够提高电气传动系统的集成度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于变频器分时复用的电气传动系统，其特征在于，包括：若干台通用公共变频器、开关阵列、若干台辅机电动机及综合管理监控装置；

各所述通用公共变频器的输出端与所述开关阵列的输入端连接；所述开关阵列的输出端与各所述辅机电动机连接；所述综合管理监控装置与各所述通用公共变频器及所述开关阵列连接；

所述综合管理监控装置，用于在某台目标辅机电动机需要使用时，选择处于空闲状态的目标通用公共变频器，并接通所述开关阵列中与所述目标通用公共变频器及所述目标辅机电动机连通的线路，加载与所述目标辅机电动机对应的控制参数，由所述控制参数控制所述目标通用公共变频器驱动所述目标辅机电动机运转。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关阵列中包括若干个可控开关以及开关阵列控制单元；

各所述通用公共变频器通过所述可控开关与每个所述辅机电动机连接，其中，一个所述可控开关用于连接一个所述通用公共变频器与一个所述辅机电动机；

所述开关阵列控制单元，用于与所述综合管理监控装置进行通信，以控制相应的可控开关动作，接通所述开关阵列中与所述目标通用公共变频器及所述目标辅机电动机连通的线路。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述综合管理监控装置，具体用于根据所需执行的任务及当前系统运行工况，选择所述目标通用公共变频器并将所述目标辅机电动机的控制参数发送给所述目标通用公共变频器，同时选择合适的开关阵列导通路径，将导通指令发送给所述开关阵列控制单元，以由所述开关阵列控制单元根据所述导通指令控制连接所述目标通用公共变频器与所述目标辅机电动机之间的可控开关导通，选通所述开关阵列的导通路径。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述综合管理监控装置，还用于在运行工况改变需要关闭所述目标辅机电动机，启动另一台目标辅机电动机时，向所述目标通用公共变频器发送停机指令，待停机完成后，向所述开关阵列控制单元发送新的导通指令，以由所述开关阵列控制单元根据所述新的导通指令控制连接所述目标通用公共变频器与所述另一台目标辅机电动机之间的可控开关导通，并将所述另一台目标辅机电动机的控制参数载入所述目标通用公共变频器进行执行，以实现通用公共变频器的分时复用。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述综合管理监控装置，还用于在所述目标通用公共变频器发生故障失效时，启用剩余通用公共变频器中处于空闲状态的通用公共变频器以替代所述目标通用公共变频器，从而达到备份的效果。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通用公共变频器包括：控制电路、通信电路、母线电压检测电路、相电流检测电路、信号调理电路、模数转换电路及模块功率主电路；

由所述综合管理监控装置发送的控制参数通过所述通信电路处理后由所述控制电路加载，所述控制电路根据电流反馈信号发送SVPWM控制信号控制所述模块功率主电路，进而控制辅机电动机运行，其中，所述电流反馈信号是实际三相电流通过所述相电流检测电路、所述信号调理调理电路及所述模数转换电路形成的，用于实现对电机转速、功率的控制，所述模块功率主电路的控制参数根据所述母线电压检测电路检测的电网电压值进行调解。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辅机电动机为三相交流电动机，其通过输出轴驱动风机、水泵及其他辅机机械设备。

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