CN201174681Y - 具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，包括电动机软启动设备、转差率控制调速部分、转差功率回馈部分和可编程序控制器，其特征在于：转差率控制调速部分包括不控整流器、斩波器与数字信号处理器；转差功率回馈部分包括电网快切与短时停电再启动功能电路、逆变器与功率因数补偿电路；可编程控制器实施电动机整体调速系统的程序控制、故障综合与处理。本实用新型适用于内馈绕线异步电机与普通绕线异步电机，其特点是装置容量小于电机容量，采用低压器件，电路简单，功能完善，性能优良，界面友好，操作简便。

Description

具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种供内馈式绕线异步电动机或普通绕线异步电动机使用的转子转差率控制数字智能调速装置，特别是公开一种具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，属于中压(3千伏，6千伏，10千伏)大容量电动机调速领域。

背景技术

节能减排优化环境是实现我国国民经济持续稳定发展的重要任务，是目前社会的主旋律。推广用电量最大的中压电动机调速节能是节能降排的重大举措之一。随着全民节能意识的增强，性能优良、安全可靠、价格较低的中压交流电动机调速节能产品的需求量在迅速增加。目前，中压交流电动机高效调速装置主要有两种：中压变频调速与串级调速。

中压变频调速是在中压交流电动机的定子侧施加中压变频器电源，改变定子侧电压和频率来调节电动机转速。中压变频器容量通常为交流电动机容量的1.2～1.3倍。变换电压高(6千伏，10千伏)，需要多功率单元串联，电源侧还需要一台多副绕组的大容量移相变压器(容量为电动机容量的1.4～1.5倍)给各个功率单元供电。因此，系统结构复杂，装置体积庞大，总体造价高。对于现场工艺要求电动机不能停车的使用场合，还必须增加旁路设备，在中压变频器出现故障时，将电动机与中压变频器断开，再将电动机直接接入中压电网(6千伏，10千伏)，直接起动电动机到全速，启动电流很大，电动机加速很快，不仅对电网冲击大，生产工艺上也难于应对这种突加局面(如关风门)，致使生产受到影响。在中压变频器修复后，还必须先将电动机从电网上断开，在电动机停车过程中，与中压变频器接通，变频器必须试探性的测定电动机停车过程中的速度，给出与该速度相适应的频率与电压，如果配合不好，会造成大电流冲击，甚至高压开关分闸使电动机停车，这样会给生产带来巨大损失。

串级调速是一种古老的调速方式，由于功率因数太差，外馈变压器体积大，逆变电路在突发停电时出现颠覆，致使设备故障，因此很难推广。但这种调速方式，是在电动机转子电路中控制转差率调速，转子电路电压低(一般在1000伏左右)，避开了高压引起的麻烦；在调速范围不高时(风机水泵要求的调速范围都小)，装置容量通常只有电动机容量的60％～70％左右；主电路简单，只有不控整流器、平波电抗器、晶闸管逆变器、外馈变压器，因此造价低；又能实现无级调速。所以人们一直在探索改进这种调速方式。早在上世纪80年代，出现内馈绕线电动机，取消了外馈变压器，减少了设备。90年代，又出现了斩波串级调速。使用斩波(用晶闸管构成斩波电路)，将较低的转子整流电压(其值随转差率在变)升高到最大的固定直流逆变电压，使晶闸管逆变器的功率因数有一定提高(0.866)，但系统总体功率因数在电动机高速运行时仍低于电动机本身功率因数，随着转速降低，功率因数仍降到较低值(0.4～0.5)。这种系统在电机调速状态不能停车，必须升速到全速运行时，分断逆变器交流电路接触器之后才能分断高开停车，在调速状态也不能使用紧急停车，调速状态停车会造成快熔熔断，甚至晶闸管损坏。更不具备电网快切功能。其原因是电机供电突然中断时，逆变器交流电源随之消失，电容器直流电压经过正在导通的晶闸管短路，由于电容电压较高，短路电流快速上升，致使快熔熔断，甚至晶闸管损坏，使设备陷入故障状态。由于采用斩波，原来采用整流桥电压当作实际速度构建速度闭环的方法，因为误差太大不能再使用，所以，有些产品采用开环控制斩波占空比调速，调速性能自然很差；有些产品采用外加简易脉冲测速的方法构建速度闭环，不仅安装麻烦，运行中还常出现脉冲丢失造成速度失控问题。这些问题影响了斩波串调装置的进一步推广应用。

发明内容

本实用新型的目的是解决串级调速装置存在的现有技术问题，公开一种具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，它是一种具有电网快速切换功能与短时停电再启动功能的数字智能调速装置，同时还具有测速脉冲丢失保护、主电路简单、数字化程度高、安全可靠、操作方便、性能优良、功率因数高、人机界面友好、可实现远程控制与管理等优点，是一种功能完善的中压电动机转差率控制数字智能调速装置。

本实用新型是这样实现的：一种具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，包括电动机软启动设备RQD、转子转差率控制调速SKT部分，转差功率回馈SGH部分及可编程序控制器PLC。各部分功能明晰、完善，相互协调，整体由PLC统一管理。其特征在于：转差率控制调速部分包括不控整流器、斩波器与数字信号处理器，实施码盘脉冲测速与无速度传感器速度测量，实施电动机速度外环电流内环双环速度控制与负载工艺外环控制，同时将转差功率转换为直流电功率，送入逆变电容器存储；转差功率回馈部分包括电网快切与短时停电再启动功能电路、逆变器与功率因数补偿电路，实现电网快切功能与短时停电再启动功能，将能量回馈到电网，并补偿电动机整体功率因数；可编程控制器实施电动机整体调速系统的程序控制、故障综合与处理。转子转差率控制调速SKT电路包括不控整流器ZR、斩波器CH与数字信号处理器DSP，DSP硬件电路接受码盘测速脉冲，用于计算电机在各种运转状态下的速度；采用电流霍尔元件检测电动机转子电流Ir的转差频率，用于计算电动机在各种运转状态下的速度，判断脉冲测速是否存在脉冲丢失情况，并作相应处理；采用霍尔元件检测转子整流电流Ic用于电流环的电流反馈，采用电压霍尔元件检测直流逆变电压Uc用于电动机调速过程中的过电压保护；在有工艺闭环时，DSP还要采集工艺量的值用于工艺反馈，通过编制DSP程序构建工艺环、速度环、电流环实现转差率控制与电动机速度调节，同时将交流转差功率转换为直流电功率，送入电容器存储；转差功率回馈SGH电路包括电网快切功能与停电再启动功能电路WKQ与控制电路板BH，晶闸管逆变器INV与控制板CF，功率因数补偿电路GBC。同步电源采用隔离降压变压器取自逆变交流电源。功率因数补偿电路由电机转速控制，随着转速降低，分若干等级逐步增加补偿电容值，提高整体系统的功率因数。这种补偿方法，对于内馈电机，受到反馈绕组容量的限制；对于普通绕线电机，可以通过加大外馈变压器的容量，满足无功补偿的需求。PLC实施整体调速系统的程序控制，故障综合预处理，保证系统正常运行。

本实用新型系统的控制步骤如下：

1、控制电源送电后，DSP自检并初始化，PLC巡检整体调速系统状态。在第1次起动电动机之前，需要在触摸屏上输入电动机参数与工艺要求参数。之后，首先判别是否存在与软启动电路相关的报警与故障，若存在，PLC在触摸屏上送出禁止合闸信号并显示出报警与故障类别，若无报警与故障，PLC送出允许电动机启动信号；然后再判别转差率控制调速SKT部分与转差功率回馈SGH部分是否存在报警与故障，若存在，PLC在触摸屏上送出禁止调速信号并显示出报警与故障类别，若无报警与故障，送出允许调速信号。在触摸屏上显示信息的同时，也告知远方集散型控制系统DCS中控室。

2、在触摸屏上或在远方DCS中控室按下合闸按钮，PLC控制电动机启动；DSP检测电动机运转速度，如果系统允许进调速，则在电动机速度等于或大于设定速度时转入调速运转；如果系统不允许进调速，或者触摸屏上设定直接启动到全速，则在启动到接近全速时转入全速运转；在电动机启动过程中，转差功率回馈SGH部分投入工作，为回馈能量做好准备。

3、启动过程中进入调速，或在全速时在触摸屏上或在远方DCS中控室按下调速按钮进入调速，DSP调速系统立即被使能，速度电流双环调速系统进入正常工作，经历过渡过程之后，电动机稳定在设定速度下运转。调速系统工作过程中，回馈的转差能量由转差功率回馈部分回馈电网。如果需要，可以通过手动/自动转换开关转入工艺闭环(压力，流量等)工作。

4、PLC巡检所述转差率控制调速SKT系统与转差功率回馈SGH部分，在触摸屏上显示电动机运行速度、转子整流电流、转子整流电压、直流逆变电压、逆变电路电流等数据；若出现故障时，通过软启动设备将电动机切换到全速运行，并在触摸屏上显示故障类别及原因；若出现报警时，在触摸屏上只显示报警信息，提醒维护人员做应对处理。

5、在触摸屏上或在远方DCS中控室可以根据工艺要求改变设定速度，或者，在工艺闭环(如压力，流量等)工作时，改变工艺设定值，电动机就在新设定的工况下运转。

6、如果工艺需要电动机全速运转，在触摸屏上或在远方DCS中控室按下转全速按钮，电动机按预先设定的加速度加速，在速度接近全速时，由PLC控制转全速工作。

7、电机在各种运转状态下需要停车时，在触摸屏上或在远方DCS中控室均可以进行停车操作。操作后，电动机自由停车。需要紧急停车时，在触摸屏上或在远方DCS中控室均可以进行紧急停车操作。

本实用新型所述的DSP实施码盘脉冲测速与无速度传感器速度测量，实施电动机速度外环电流内环双环速度控制与负载工艺外环控制，同时将转差功率转换为直流电功率，送入逆变电容器存储，包括DSP硬件电路板、软件程序与电流电压采集系统。其中，码盘脉冲测速是在电机轴上安装测速码盘与接近开关，在电机运转时，DSP接收测速脉冲计算速度，用于启动过程中速度判断，调速过程中速度反馈与各种状态下的速度显示。无速度传感器速度测量是采用电流霍尔元件检测转子电流Ir的转差频率，DSP依据转差频率计算出电机速度，该速度测量周期较长，但较准确，用于校对码盘脉冲测速的值，若两者误差较大时，说明码盘测速脉冲已经存在丢失现象。此时，应该做出脉冲丢失的应对处理，取消速度调节器的调节运算，将之前的速度调节器输出作为电流给定，电流环独立工作。如果之前是速度环工作，则在每次转子电流测速后，比较测速值与设定值的差值，若测速值高于设定值，则将电流给定值减去一个最小值；若测速值低于设定值，则将电流给定值增加一个最小值，直到测速值与设定值之间误差在允许范围之内。如果之前是工艺环工作，在每次测速后，比较工艺量实际值与设定值之间误差，根据误差大小与极性，做类似处理。DSP使用电流霍尔元件采集直流斩波电流Ic用于电流环的电流反馈构建电流闭环，同时用于斩波电流显示。DSP用码盘脉冲测速值构建速度环。如果需要工艺闭环，手动/自动转换开关转到自动位置，DSP检测工艺反馈量，构建工艺闭环。工艺调节器由常规PID调节器与模糊控制器两种形式，可以在触摸屏上选择其中一种使用。DSP硬件电路由数字信号处理器与其他集成电路、电压/电流变换电路组成，软件实现电压电流采集值计算，电动机码盘脉冲测速与无速度传感器速度计算，速度电流双环控制与调节，工艺环控制与调节，输出占空比控制脉冲PWM，控制转差率，实现速度调节。所述的数字信号处理器采用TI公司生产的2407、2812型号产品或其他公司同类产品。

本实用新型所述的电网快切与短时停电再启动电路采用IGBT(或IGCT)可关断器件串入电容器与晶闸管之间，IGBT集电极与电容器正极相连，发射极与平波电抗器L2相连，L2另一端与晶闸管逆变器正极相连，栅极由控制电路板BH控制；IGBT斩波管封装中的二极管，其负极与IGBT发射极及平波电抗器L2相连，其正极与晶闸管逆变器负极及电容器C负极相连。该电路妥善的实现电网快切与短时停电再启动功能。也由于此电路，在需要停车时，包括紧急停车，可以在任何工作状态下直接分断高压开关实现停车。在调速系统运行时，电网突发停电，不会再发生快熔熔断事故，上级电网快速切换到另一路供电，电机调速系统只会出现稍许扰动，很快进入原来运转的稳定状态；如果停电时间较长，电机自动从调速状态转入启动状态，来电后使用软启动设备升速到原来设定速度，再转入调速运转。为控制IGBT(V12)导通或阻断，需要逆变电路过电流信号与逆变器交流电源掉电信号。为此，在平波电抗器L2与晶闸管逆变器正极之间连接线上安装电流霍尔元件，检测逆变器电流，将电流信号送到控制电路板BH；另外逆变器交流电源经隔离降压变压器将电源信号送到控制电路板BH，利用这两个信号构建控制逻辑，控制IGBT(V12)正确实现电网快切与短时停电再启动功能。

本实用新型具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其特征在于：在逆变器交流电源进线处，安装功率因数补偿装置，主要补偿绕线异步电机定子的励磁无功功率。对于风机与水泵负载，在电机额定运转状态，大多数电机功率因数有较高的数值，但在调速运转状态，随着转速下降，有功功率急剧下降，而励磁无功功率基本不变，所以功率因数也急剧下降。为提高整体系统功率因数，应该随着转速下降，分级增加补偿电容量。

本实用新型所述的PLC实施整体调速系统的程序控制、故障综合与处理。PLC的应用软件控制整体调速系统的全过程。在电动机起车之前，巡检各部分，均正常时给出允许启动并且可以进调速信号；若启动设备不正常时在屏幕上显示出故障或报警信息，同时给出禁止合闸信号；若转差率控制调速与能量回馈部分有报警与故障时，在触摸屏上显示报警与故障类别，同时给出禁止调速信号；只要允许启动，现场要求起车时，可以先启动电动机进入全速运转后，转换到维修状态，边运行边检修。在系统运行中，在本地(控制柜)或远方DCS可以对电动机进行各种操作。若DSP检测到任何故障与报警，均会立即送至PLC，PLC对于停机故障，立即发出停机命令并显示故障类别；对于转全速故障，立即通过软启动设备做转全速处理，并显示故障类别；对于报警只显示报警内容，提醒维护人员处理。所述的PLC的硬件选用西门子公司S7-200或其他公司小型机。

本实用新型将会带来显著的经济效益与社会效益。与中压变频器相比，本实用新型提供的调速装置价格在各种容量等级上只有中压变频器的一半左右，而在性能上，具有中压变频器所具有的优点，如启动平稳，启动到设定速度就稳定在设定速度运转，无级调速，调速精度高，响应快，功率因数高等，却避开了中压变频器容量大于电动机容量，装置内部电压高，线路复杂，体积庞大的困难，用低压装置控制中压电动机，用(50％～70％)电动机额定容量的装置控制100％容量的电动机，主电路简单，器件少，同样满足大功率风机与水泵50％调速要求，更可贵的是方便维修。在装置出现故障时，可以通过软启动设备平稳地将电动机升速到全速，然后，转换到维修状态，装置完全与电动机脱开进行维修，完成维修后，再转换到运转状态，按下调速按钮，平稳地返回到原工作状态。本装置在供电网突发停电时，还具有电网快切功能，快速恢复供电。若停电时间较长，自动回到启动状态，来电时通过软启动升速到设定速度再进入调速状态工作。对大系统影响很小。用本装置进行节能改造，一年内就可以收回装置成本。改造工程可以节省大量电能，降低生产成本，优化工艺过程。这是利国利民的大事。

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是内馈绕线电动机采用本实用新型的电原理图；

图2是普通绕线电动机采用本实用新型的电原理；

图3是本实用新型采用的工艺环、速度环、电流环调节系统结构图。

具体实施方式

本实用新型是采用当前先进的电力电子器件与数字控制技术实现具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置。

根据附图1：M是内馈绕线异步电动机，其定子绕组由6千伏或10千伏电网供电。RQD是电动机软启动设备(频敏变阻器，水电阻等)，电动机转子接触器控制电路与维修转换开关等，接触器控制电路受控于PLC，辅助接点的状态也回馈到PLC。通常，小容量电动机(1000千瓦以下)采用频敏变阻器启动，大容量电动机(1000千瓦以上)采用水电阻启动。转差率控制调速SKT电路包括电动机转子侧二极管整流器ZR、斩波器CH与数字信号处理器DSP，转子侧电流Ir与斩波器输入电流Ic由电流霍尔元件检测，其测量值送DSP，直流逆变电压(电容器C电压)Uc由电压霍尔元件检测，其测量值送DSP与控制电路板BH。转差功率回馈SGH电路包括电网快切与短时停电再启动功能电路WKQ、晶闸管逆变器INV与触发控制板CF、功率因数补偿电路GBC，电源电压由隔离变压器(T)降压后送控制板CF与BH，逆变器交流侧电流由电流霍尔元件检测，其值送控制板BH。可编程序控制器PLC与电机软启动部分，数字信号处理器DSP，控制板BH，具有数字量，模拟量输入输出信息交换，接受远方中控室DCS来的指令，同时将系统的状态信息送给DCS。PLC与人机界面HMI由专用通信线通信，在HMI上可以输入电机参数及工艺参数，可以进行各种操作，有运行参数与故障报警信息显示，也存储运行的历史纪录。

本实用新型采用当前先进的电力电子器件与数字控制技术实现具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置中包含的工艺环、速度环、电流环如附图3所示。构建这些闭环，主要是如何构建含有斩波器环节的绕线电动机电流环，核心问题是如何认识调节对象。本实用新型力求用最简单适用的方法实现。为此，首先阐明绕线电动机转差率控制调速SKT的控制原理，由此说明本实用新型采用的工艺环速度环电流环调节系统是如何构建的。在阐明原理时，应将转子整流电路ZR与斩波器电路CH一起考虑，作为一个整体分析。根据附图1，转子电势经过二极管整流桥整流后为直流电压Ur。在正常调速工作时，转子电势为：

Er＝S×Ur0，

式中，S——转差率；

Ur0——电动机转子开路电压；

转子电势的幅值和频率都是转差率的函数，在调速范围内，一般最高频率也只有25周。在过去的串级调速电路中，没有斩波器电路，整流电路中换向重叠现象比较严重，在增加斩波电路之后，换向重叠可以忽略(原因见下文)；再假定整流器件为理想器件，忽略管压降与漏电流，这样，在每个斩波周期中，斩波电流只在转子两相中流动，将转子电路的电阻与漏感移入整流电路后的直流电路，与斩波电路的电阻与电感合并，合并后的等效电阻为R，等效电感为L，这样处理后，整流直流电压Ur就是转子电势的理想整流电压，该值为：

Ur＝k×S×Ur0，

式中，k——整流系数。

整流电压Ur就是斩波器输入电压，整流电流(即斩波输入电流)为Ic，在转子整流电路与升压斩波器电路中，假定整流电流连续(在50％调速范围内，一般总是连续的)，斩波管(IGBT或IGCT)导通时有方程式：

$L\frac{\mathrm{dIc}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{IcR}=\mathrm{Ur},$

在斩波管(IGBT或IGCT)关断时有方程式：

$L\frac{\mathrm{dIc}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{IcR}=\mathrm{Ur}-\mathrm{Uc},$

采用状态空间平均模型法，按斩波管导通与关断所占时间比例对上面两方程式加权，得到在一个周期内的方程式：

$L\frac{\mathrm{dIc}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{IcR}=\mathrm{Ur}-\mathrm{Uc}(1-D),$

在电动机调速过程中，转速变化相对是较慢的，因此，Ur变化较慢，在讨论斩波电流时可以认为是不变的；Uc是直流逆变电压，受转差能量回馈SGH电路控制是恒定不变的。在方程中，自变量是斩波器占空比D，在占空比D有一个增量时，斩波电流就产生一个增量。根据增量方程式，并略去增量符号后可以得出斩波电流Ic为输出、占空比为输入的传递函数为：

$\frac{\mathrm{Ic}}{D}=\frac{\mathrm{Uc}}{R(\mathrm{TP}+1)},$

这就是电流环中的大惯量环节。可见这个环节是线性的。由于采用数字量控制，数字采样周期产生一个时间滞后，该滞后等同于一个小惯量环节。所以，电流环的调节对象是一个大惯量环节与一个小惯量环节。参见附图3，电流调节器ACR应采用典型的PI调节器。调节器ACR输出直接控制转差率控制SKT电路中的斩波器CH占空比，控制转子电流，因此，控制电动机电磁转矩，也即控制转子的转差率，使电动机转子稳态时运转在某一转差率下，转速给定变化时，控制转子转差率向给定转速加速，最后稳定在设定速度上。

现在，阐明具有斩波器环节的转子整流电路换相重叠现象可以忽略的原因。整流电流大时，换相重叠严重，这种工况电动机是在高速段运转，转差率很小，转差频率很低，周期很长，转子电势值也较低，整流电压Ur也较低。换相出现的时刻，存在两种情况，一种是出现在斩波管(IGBT或IGCT)导通时，换相后的电势差使新导通的相电流增长，原导通相电流下降，待到斩波管(IGBT或IGCT)关断时，换相重叠的两相并联流过电流，整流电流Ic快速下降，忽略电阻压降，有下式：

$L\frac{\mathrm{dIc}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Ur}-\mathrm{Uc}.$

由于此时，整流电压Ur较低，而直流逆变电压Uc较高(800～1000伏)，电流下降速率很大(若等效电感1毫亨，速率为每毫秒800～1000安)，由于换向的两相存在电势差，原导通相下降更快。若负荷不重，可能一个斩波周期换相重叠就结束了。若负荷较重，两个斩波周期结束。另一种情况，换相时刻出现在斩波管(IGBT或IGCT)关断状态，斩波电流下降速率大，由于转子电感电压为负，使换相的相不能导通，等到斩波管(IGBT或IGCT)导通时，重叠的两相电流同时增长，以后的情况同前述情况。总之，换相重叠只占用1～2个周期，即0.5～1毫秒。若转差率S＝0.1，转子频率5赫兹，周期200毫秒。换相重叠影响很小可以忽略。

电动机传动系统的运动方程式为：

$\frac{\mathrm{Jd\ω}}{P_n\mathrm{dt}}+T_L=T_e,$

式中：J——机组的转动惯量(kg.m²)；

      P_n——电动机的极对数；

      T_L——负载阻转矩；

      T_e——电动机电磁转矩；

      ω——电动机角速度。

可见，速度环调节对象是一个积分环节。电流闭环在速度环内是一个小惯量环节。根据附图4，速度调节器ASR可采用典型的PI调节器。参数配置按三阶系统整定。对于风机与水泵负载，不允许电动机转速快速变化，在速度给定通道里，设置给定积分器GJ，将阶跃给定量转化为缓慢的斜坡上升信号。上升或下降时间可以在30～100秒之间设定。

转差率控制SKT调速系统可以在速度电流双环下工作(手动方式)。速度设定值可以在触摸屏(本地)上手动给出，也可以在远方DCS中控室手动给出，由本控/远控转换开关转换。通过手动/自动转换开关，可以实现手动与自动方式地相互转换。在自动工作方式时，本地(触摸屏上)或远方DCS设定工艺控制值，如压力，流量等，工艺过程中检测相应的工艺实际值用作反馈值，本实用新型中工艺调节器AGR有两种形式：常规的PID调节器与模糊调节器。工艺环的调节对象模型清晰时，采用PID较好；若调节对象比较复杂，又常常伴随着大惯量、长时间滞后，调节对象很难用数学方程式描述时，采用模糊控制调节器较好。现场工艺情况千差万别，用户可以根据现场状况选择。

本实用新型所述的具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其中，无速度传感器速度测量使用电流霍尔元件采集电动机转子侧交流电流Ir，通过过零点检测，转换为正负各半周的方波，送给DSP芯片，使用捕获功能检测转子电流转差频率Sf，计算电动机运转速度，该速度用于校对码盘测速值，正常情况下，在各种状态两个测速值均比较接近，在码盘测速出现脉冲丢失时，两者之间出现误差，脉冲丢失愈严重误差愈大，误差增大到一定值时就要作为脉冲丢失处理，停止速度调节器运算，将之前地速度调节器输出用作电流环给定，电流环独立工作。每次求得转子电流测速值后，将测速值与设定值比较，根据差值大小与极性，调整电流给定值，从而保证电机在原设定速度上继续运转。这时的测速值也用于速度显示与判断。若测速脉冲丢失出现之前是工艺外环工作，脉冲丢失处理与速度环工作情况类似。

本实用新型所述的具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其中所述电网快切与短时停电再启动功能电路，参见附图1，在电容器C正极与逆变回路电抗器L2之间，串入一只IGBT(V12)作为逆变器电路过电流保护器件。IGBT集电极与电容器C正极相连，发射极与电抗器L2相连，栅极由控制电路板BH控制。IGBT斩波管封装中的二极管，其负极与IGBT发射极及电抗器L2连接，其正极与晶闸管逆变桥的负极及电容器C负极连接。逆变电流检测用的电流传感器安装在晶闸管逆变器与电抗器L2的连线上。控制板BH上装配逆变过电流检测及控制电路，逆变器交流电源掉电检测电路与相关的控制逻辑电路。

在系统运行中IGBT(V12)总是处于导通状态。若电网突然出现掉电时，逆变器交流电源电势立刻消失，掉电检测环节检测到掉电信号，该信号立刻去封锁逆变电路过流保护管IGBT(V12)，阻断逆变电路；在掉电信号发出同时，电容器电压经正在导通状态的晶闸管形成短路，短路电流上升到逆变电路过电流保护值时，过流保护环节也要发出逆变电路过流封锁信号，去封锁IGBT(V12)。两者中那个在前那个先起作用。封锁IGBT(V12)后，逆变电流开始下降，电流衰减下去后，掉电信号继续维持封锁IGBT(V12)。由于逆变回路阻断，故能够可靠的保护快速熔断器及晶闸管不受损伤，保持电容器电压不变。同时，掉电检测信号与逆变电路过电流信号也去封锁斩波电路的IGBT(V11)，使斩波电路停止工作。在电网快速切换的短过程中，调速系统除电机速度有稍许降落外，均维持原状态不变，等待来电。电网快速切换后，逆变器交流电源建立电势，掉电信号消失IGBT(V12)管恢复导通，调速系统重新进入正常调速工作状态。如果切换时间超过规定时间，为防止来电时转子电压过高，损伤IGBT器件，控制电路将自动把电机转入软启动状态。来电后，按软启动方式将电机启动到原设定速度，再转入调速工作。如果停电时间过长，已属于电机正常停车或紧急停车范围，故给出分断高压开关信号，实现停车。

本实用新型适用于中压内馈绕线异步电动机与中压普通绕线异步电动机。

实施例1：

根据附图1，本实用新型用于内馈绕线异步电动机的具体应用实例。图中M是内馈绕线异步电动机，定子绕组通过高压开关柜由6千伏或10千伏电网供电，转子绕组连接到软启动设备RQD，电动机容量在1000KW以下的，多采用频敏变阻器启动，大容量电动机采用水电阻启动。电动机启动由PLC控制，若软启动电路部分无故障与报警时，在触摸屏上给出允许启动信号，若有故障与报警，给出禁止合闸信号；若转差率控制调速SKT部分与转差功率回馈SGH部分无故障与报警，在触摸屏上给出允许进调速信号，若有故障与报警，给出禁止进调速信号；启动有两种方式可选择：直接进调速与直接进全速。如果不允许进调速，即使选择直接进调速，PLC也会确保直接进全速。在电机启动、全速与调速运行过程中，电动机速度测量总是码盘脉冲测速与转子电流的频率测速并行进行的。为此，在电机轴上安装测速码盘与接近开关，DSP接收测速脉冲，计算电机瞬时速度；另外，采用电流霍尔元件采集转子电流Ir，DSP依据过零点检测，计算转差频率与速度，计算值用于校对码盘测速的正确性。在调速运行时，转子整流桥ZR经交流接触器与转子绕组接通，转子整流桥ZR与升压斩波器CH构成转差率控制调速SKT主电路，数字信号处理器DSP与电流检测电路构成转差率控制与调节电路。用电流霍尔元件检测斩波电流Ic，送DSP用于斩波电流环的电流反馈；依据码盘脉冲测速值用于速度闭环的速度反馈；DSP通过软件构建斩波电流环，速度环与工艺环，实施调节过程。以速度电流双环调节为例，说明一下调节的过程。假定电动机在某一稳定状态下运转，如果速度给定上升一个增量，由于电动机速度还未变化，在速度调节器输入端，就存在一个速度误差，在速度调节器输出产生一个斩波电流给定增量，电动机电流还未增长，电流调节器输入端就存在一个电流误差，电流调节器输出立即产生一个斩波器占空比增量，该增量作用于整流斩波主电路，驱使斩波器电流产生一个增量，因此转子转矩产生一个增量，该转矩增量破坏了原来的转矩平衡状态，电动机开始升速，当电动机速度升到接近给定速度时，速度误差趋于零，电流误差也趋于零，电动机就在新的给定值下稳定运转。反之亦然。调速运行中，转子转差功率通过斩波器源源不断地送到直流逆变电容器里转换为电能，再由转差功率回馈电路将电容器中的电能送到电网。转差功率回馈电路由电网快切与短时停电再启动功能电路、平波电抗器L2、逆变电流采集用电流霍尔元件、晶闸管逆变器INV与功率因数补偿电路组成。电网快切与短时停电再启动功能电路，参见附图1，在电容器C正极与逆变电路电抗器L2之间，串入一只IGBT(V12)作为逆变器电路过电流保护器件。IGBT集电极与电容器C正极相连，发射极与电抗器L2相连，栅极由控制电路板BH控制。IGBT斩波管封装中的二极管，其负极与IGBT发射极及电抗器L2连接，其正极与晶闸管逆变桥的负极及电容器C负极连接。逆变电流检测用的电流传感器安装在晶闸管逆变器与电抗器L2的连线上。控制板BH上装配逆变过电流检测及控制电路，逆变器交流电源掉电检测电路与相关的控制逻辑电路；逆变器INV由六只晶闸管接成三相桥电路；功率因数补偿电路中的补偿电容器结成三角形，三角形各端点与逆变电源之间接入限流电抗器。补偿量要依据电机参数与运行工况确定。电动机反馈绕组电压通过降压变压器T1将副边电压(e_a，e_b，e_c)送到控制板CF与BH，在控制板CF中用作同步电源，在控制板BH中用于断电检测。

在系统工作的全部过程中，PLC一直在不断地检测着启动设备，DSP与控制板BH的状态，控制调速系统各部分按规定程序运转。并不断检测各部分的报警与故障，一旦出现故障，及时通过启动设备将调速运转中的电动机转全速，同时在人机界面上显示出故障类别；若出现报警，只在人机界面上显示出报警类别，并通知DCS中控室，提醒维修人员采取相应措施。

实施例2：

根据附图2，本实用新型用于普通绕线异步电动机的具体应用实例。图中M是普通绕线异步电动机，没有反馈绕组。转子转差功率要通过外馈变压器WT将转差功率回馈到电网，所以，外馈变压器(WT)的原边绕组接到电动机定子绕组所接的高压开关柜的下端，外馈变压器副边绕组接到转差功率回馈电路SGH的晶闸管逆变器的出线端。其他与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，包括电动机软启动设备、转差率控制调速部分、转差功率回馈部分和可编程序控制器，其特征在于：转差率控制调速部分包括不控整流器、斩波器与数字信号处理器，实施码盘脉冲测速与无速度传感器速度测量，实施电动机速度外环电流内环双环速度控制与负载工艺外环控制，同时将转差功率转换为直流电功率，送入逆变电容器存储；转差功率回馈部分包括电网快切与短时停电再启动功能电路、逆变器与功率因数补偿电路，实现电网快切功能与短时停电再启动功能，将能量回馈到电网，并补偿电动机整体功率因数；可编程控制器实施电动机整体调速系统的程序控制、故障综合与处理。

2.根据权利要求1所述的具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其特征在于：所述的电网快切功能与短时停电再启动功能电路，采用可关断器件IGBT或IGCT串入逆变电容器与晶闸管逆变器之间，IGBT集电极与电容器C正极相连，IGBT发射极与电抗器L₂相连，电抗器L₂另一端与晶闸管逆变器正极相连，栅极由控制电路控制；IGBT斩波管封装中的二极管，其负极与IGBT发射极及电抗器L₂连接，其正极与晶闸管逆变器的负极及电容器C负极连接，该电路实现电网快速切换功能与短时停电再启动功能，最大限度地降低短时停电造成的影响，维护大系统稳定可靠地工作。

3.根据权利要求1所述的具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其特征在于：所述的电机整体功率因数补偿电路，在晶闸管三相逆变桥的交流输出端接入功率因数补偿电路，随着电机转速降低，分级增加补偿电容器的数值，保证电机调速系统在全部调速范围内维持功率因数为较高值。

4.根据权利要求1所述的具有电网快切功能的电动机转差率控制数字智能调速装置，其特征在于：所述的可编程控制器实施电动机整体调速系统的程序控制、故障综合与处理，电动机启动、全速运转、调速运转及各种运转状态的操作。

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