CN201226505Y - 高压鼓风机/高压风机节电器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高压鼓风机/高压风机节电器，包括：三相电源移相变压器、功率单元、控制器、冷却风机及传感器，传感器采集输入电压、电流和输出电压、电流信号后传送给控制器，控制器处理信号并发出指令，将指令传送给功率单元及移相变压器，功率单元的输入端接移相变压器上，输出端连接在风机上，移相变压器输入端接在总进线上输出端连接功率单元，功率单元按指令控制风机的工作状态；使用时，本实用新型产品能够根据生产工艺中所需风量的大小，自身进行调节稳定电压，消除设备及用电电网所带来的谐波，提高功率因数，可根据生产工艺要求自动调节电机转速以达到最佳风量，降低线路损耗，同时达到最佳节电效果，预计节电率可达20％－60％。
Description
技术领域
本实用新型涉及节能节电装置，特别是一种用于高压鼓风机、高压风机节电器。
背景技术
目前市场上的节电产品主要是通过提高功率因数降低线损来进行节电。现有的补偿功率因数降低线路损耗节电器，是在原有供电线路端并联无功补偿器，从而提高功率因数降低线路损耗从而达到节电目的，通过这种方式节电存在以下缺陷：1、虽然提高了功率因数，但整体节电率偏低，没有达到真正节能效果，2、不能真正做到保护电机有效使用，没有对电机在工作中所存在的过流、过压、短路、缺相、起动电流冲击等进行保护。3、高压鼓风机、高压风机在工作过程中所需要的风量也不同，需要大风量时所需用电就大，需要小风量时它还是照常工作，不能做到自动调节风量。从而导致大量电能浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高压鼓风机/高压风机节电器，其能够根据生产工艺中所需风量的大小，进行自身调节电机转速从而控制风量以满足生产风量需求，并消除用电设备谐波，提高功率因数及稳定电压、降低线路损耗。
为实现上述目的，本实用新型采用如下结构：
一种高压鼓风机/高压风机节电器，其包括：三相电源移相变压器、功率单元、控制器、冷却风机及传感器，传感器采集输入电压、电流和输出电压、电流信号后传送给控制器，控制器处理信号并发出指令，将指令传送给功率单元及移相变压器，功率单元的输入端接移相变压器上，输出端连接在风机上，移相变压器输入端接在总进线上输出端连接功率单元，功率单元按指令控制风机的工作状态。
上述的控制器包括信号板、PLC可编程式控制器、人机界面、主控板，信号板输入端与传感器相连，其采集节电器的输入电压、电流和输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换，并将信号传送给PLC可编程式控制器，PLC用于内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，并将处理后的信号传送给人机界面，人机界面提供操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，主控板通过RS232通讯口与人机界面交换数据，提供状态参数，并接受来自人机界面的参数设置，并将指令传送给功率单元。
采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压节电器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。
隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y接；副边绕组数量依节电器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为15个，10kV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供隔离三相电源输入。
为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：
由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以高压鼓风机、高压风机专用节电器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5％的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。
本节电器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。
上述功率单元，其输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成的单相H形桥式逆变电路。
功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式，控制Q1～Q4 IGBT(绝缘栅双极晶体管)的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。
上述功率单元，其还进一步包括一由三相二极管和可控硅并联组成的旁路单元，功率单元的输出线分别与逆变电路及旁路单元相连。
使用时，当某个单元发生熔断器故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时Q1～Q4封锁输出，可控硅k导通，以保证节电器连续工作，并发出旁路告警。单元旁路时，节电器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当节电器本身运行频率较低，如6kV系列运行频率低于40Hz，10kV系列运行频率低于44.4Hz时，节电器将自动提高工作单元的输出电压，而保证节电器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。
对于风机水泵类负载，因轴功率与转速的立方成正比，如6kV系列一级单元旁路时，输出能力为额定的80％，因此运行频率低于46.4Hz时，节电器仍能满足输出要求。实际上节电器选型时留有一定的余量，此频率要更高些。当负载较大，节电器旁路后满足不了输出要求时，节电器将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内(如额定电流)。
采用上述技术方案后，使用时，传感器采集信号传送给信号板，信号板放大信号后传给PLC可编程式控制器，PLC可编程式控制器根据现有信号自动输出相对应程式给人机界面，人机界面根据程式分别传送给主控板上的各控制器，各控制器根据指令让功率单元及移相变压器，按指令来控制风机的工作状态；本新型与现有技术相比，其具有以下优点：能够根据生产工艺中所需风量的大小，自身进行调节稳定电压，消除设备及用电电网所带来的谐波，提高功率因数，另可根据所生产工艺要求自动调节电机转速以达到最佳风量，降低线路损耗，同时也达到了最佳节电效果，预计节电率可达20％—60％。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的主电路的结构示意图；
图3是本实用新型6kV系列每相五单元串联输入电流波形；
图4是本实用新型6kV的电压叠加图；
图5是本实用新型3kV的电压叠加图；
图6是本实用新型10kV的电压叠加图；
图7是本实用新型6kV系列单元输出及相电压波形示意图；
图8是本实用新型6kV六单元节电器输出的Uab线电压波形实录图；
图9是本实用新型输出电流Ia的实录波形图；
图10是本实用新型功率单元的电路图；
图11是本实用新型工频旁路原理图；
图12是本实用新型控制器的标准接线图。
主要组件符号说明：
三相电源移相变压器-1 功率单元-2 三相二极管-21
电容-22 H形桥式逆变电路-23 旁路单元-24
控制器-3 信号板-31 PLC可编程式控制器-32
人机界面-33 主控板-34 冷却风机-4 传感器-5
具体实施方式
参考图1所示，本实用新型提供一种高压鼓风机/高压风机节电器，其包括：三相电源移相变压器1、功率单元2、控制器3、冷却风机4及传感器5，其中：
参考图2至6所示，移相变压器1为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y接；副边绕组数量依节电器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为15个，10kV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供隔离三相电源输入。
为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：
由于为功率单元2提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元2所引起的谐波电流，所以高压鼓风机、高压风机专用节电器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5％的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。
本节电器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到，如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压，参考下表所示：
| 节电器额定电压 | 每相单元串联数(n) | 单元额定电压(V) | 输出相电压(V) | 每项电压电平数量 | 输出线电压(kV) | 输出线电压电平数量 |
| T30 | 3 | 580 | 1740 | 7 | 3 | 13 |
| T60≤630kW | 5 | 690 | 3450 | 11 | 6 | 21 |
| T60≥800kW | 6 | 580 | 3480 | 13 | 6 | 25 |
| T100 | 9 | 640 | 5760 | 19 | 10 | 37 |
参考图7所示，其为五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图。相邻单元之间的脉冲在时间上相差1/5个开关周期，单元串联叠加后的相电压可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图8为6kV六单元节电器输出的Uab线电压波形实录图，峰值电压为8.5kV。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图9为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。电压等级数量的增加，大大改善了节电器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。
参考图10所示，功率单元2，其输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管21全波整流为直流环节电容22充电，电容22上的电压提供给由IGBT(绝缘栅双极晶体管)组成的单相H形桥式逆变电路23。
功率单元2通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式，控制Q1～Q4IGBT(绝缘栅双极晶体管)的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。
上述功率单元，其还进一步包括一由三相二极管和可控硅并联组成的旁路单元24，功率单元的输出线分别与逆变电路及旁路单元相连。
参考图11所示，功率单元2具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时Q1～Q4封锁输出，可控硅k导通，以保证节电器连续工作，并发出旁路告警。单元旁路时，节电器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当节电器本身运行频率较低，如6kV系列运行频率低于40Hz，10kV系列运行频率低于44.4Hz时，节电器将自动提高工作单元的输出电压，而保证节电器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。
参考图12所示，控制器3包括信号板31、PLC可编程式控制器32、人机界面33、主控板34，信号板31输入端与传感器5相连，其输出端与PLC可编程式控制器32输入端相连，PLC可编程式控制器32的输出端连接人机界面33的输入端，人机界面33输出端连接在主控板34的输入端，主控板34输出端连接在功率单元2上，功率单元2的输入端接移相变压器1上，输出端连接在风机4上，移相变压器1输入端接在总进线上输出端连接功率单元2。
本节电器，是通过光纤与功率单元2传递数据信号。主控板34周期性向功率单元2发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。功率单元2通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时间将故障信号传回主控板34。
信号板31采集节电器的输入电压、电流和输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于节电器控制、保护，以及提供给人机界面数据采集板。
主控板34采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与平板电脑交换数据，提供节电器的状态参数，并接受来自平板电脑的参数设置。
人机界面33采用WINDOWS 2000操作系统，为用户提供友好操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现节电器的网络化控制。通过32通道高速数据采集卡采集来自信号板的模拟信号，计算出电流、电压、功率、功率因数等运行参数，提供表计功能和波形显示功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板34连接，通过RS485通讯口与PLC可编程式控制器32连接，实时监控节电器系统的状态。
PLC可编程式控制器32用于节电器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了节电器现场应用的灵活性。PLC可编程式控制器32有处理3路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流、电压、功率、功率因数等。PLC可编程式控制器32还可以完成PID功能。
Claims (6)
1、一种高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：其包括：三相电源移相变压器、功率单元、控制器、冷却风机及传感器，传感器采集输入电压、电流和输出电压、电流信号后传送给控制器，控制器处理信号并发出指令，将指令传送给功率单元及移相变压器，功率单元的输入端接移相变压器上，输出端连接在风机上，移相变压器输入端接在总进线上输出端连接功率单元，功率单元按指令控制风机的工作状态。
2、根据权利要求1所述的高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：所述的控制器包括信号板、PLC可编程式控制器、人机界面、主控板，信号板输入端与传感器相连，其采集节电器的输入电压、电流和输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换，并将信号传送给PLC可编程式控制器，PLC用于内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，并将处理后的信号传送给人机界面，人机界面提供操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，主控板通过RS232通讯口与人机界面交换数据，提供状态参数，并接受来自人机界面的参数设置，并将指令传送给功率单元。
3、根据权利要求1所述的高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：所述的三相电源移相变压器为三相干式整流变压器。
4、根据权利要求1所述的高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：所述的功率单元，其输入电源端接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给单相H形桥式逆变电路。
5、根据权利要求4所述的高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：所述的功率单元的单相H形桥式逆变电路是由四个绝缘栅双极晶体管组成。
6、根据权利要求4或5所述的高压鼓风机/高压风机节电器，其特征在于：其还包括一由三相二极管和可控硅并联组成的旁路单元，功率单元的输出线分别与逆变电路及旁路单元相连。
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| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Fujian Xinmiao energy-saving equipment Technology Co. Ltd. Assignor: Huang Banghong Contract record no.: 2010350000076 Denomination of utility model: High voltage blower/high voltage fan electricity-saving device Granted publication date: 20090422 License type: Exclusive License Record date: 20100430 |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: FUJIAN XINMIAO ENERGY-SAVING EQUIPMENT TECHNOLOGY Free format text: FORMER OWNER: HUANG BANGHONG Effective date: 20100920 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 352200 NO.2, PUZHONG ROAD, ZHUYANG VILLAGE, SHANYANG TOWN, GUTIAN COUNTY, NINGDE CITY, FUJIAN PROVINCE TO: 350001 UNIT 1101, XINHUAFU SQUARE, NO.162, WUSI ROAD, GUDONG STREET, GULOU DISTRICT, FUZHOU CITY, FUJIAN PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20100920 Address after: 350001, Xinhua Plaza, No. 54, 162, drum street, Drum Tower, Gulou District, Fujian, Fuzhou, 1101 Patentee after: Fujian Xinmiao energy-saving equipment Technology Co. Ltd. Address before: 352200, Ningde, Fujian province Gutian County town of foreign Cedar Village, No. 2, Pu Pu Road Patentee before: Huang Banghong |
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| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: FUJIAN XINMIAO ENVIRONMENTAL PROTECTION MATERIALS Free format text: FORMER NAME: FUJIAN XINMIAO ENERGY-SAVING EQUIPMENT TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 350001, Xinhua Plaza, No. 54, 162, drum street, Drum Tower, Gulou District, Fujian, Fuzhou, 1101 Patentee after: Fujian Xinmiao environmental protection material Co. Ltd. Address before: 350001, Xinhua Plaza, No. 54, 162, drum street, Drum Tower, Gulou District, Fujian, Fuzhou, 1101 Patentee before: Fujian Xinmiao energy-saving equipment Technology Co. Ltd. |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090422 Termination date: 20130430 |