CN201541218U - 高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，由可变电抗变换器(1)、变频器与阻抗变换组合单元(2)、绕线式电机(3)、智能控制器(7)和两组接触器组成；软起动时，可变电抗变换器(1)一次侧绕组三个端子与三相电源(6)连接，三个端子通过第一组接触器(4)与电机的定子串接，变换器的二次侧绕组与所述组合单元连接；调速时，转子通过第二组接触器(5)与所述组合单元串接，定子通过第一组接触器(4)与三相电源(6)连接，三相电源(6)通过可变电抗变换器(1)与所述组合单元串接；智能控制器(7)与所述组合单元并接。本装置具有体积小、损耗低、抗干扰能力强、电机功率因数高以及电机对电网冲击小等优点。

Description

高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置

技术领域

本实用新型涉及电机驱动领域，尤其是涉及一种高压绕线电机软起动和双馈调速一体化的装置。

背景技术

在我国，交流电机的耗电量占全国用电量的很大一部分，而其中高压电机又占据了全部电机用电量的70％，高压电机的稳定和高效运行是实现我国节能降耗目标的有效手段。当前，现有的高压电机大都需要软起动来解决电流冲击和电网压降问题，且同时要求电机的转速能在一定范围内变化以提高效率，而高压电机的软起动和调速的问题仍未能获得圆满解决。现有的设备能够同时满足软起动以及高效调速的只有高压变频器，但是高压变频器仍存在成本过高，结构及技术复杂等一系列问题，仍未能得到全面推广。

对于软起动产品来说，目前流行的软起动方案有绕线电机转子接水电阻起动，定子侧晶闸管串联降压起动等方案，其中绕线电机转子接水电阻起动是一种能耗很大的起动方式，起动过程中大量的电能转化为热能消耗掉了，同时虽然这种方式也能调节电机转速，但是其效率很低；定子侧晶闸管串联降压软起动由于采用晶闸管串联，因此对元件特性参数的一致性要求很高，不容易得到保证，且不适合用于电机调速，这是因为交流电机在变电压幅值的条件下机械特性较软，调速的动态响应较差，而且调速过程中的功率因数也比较低的缘故。

对于高效调速产品而言，目前主要有变极调速、无换向电机控制、定子侧变频控制和串级调速和双馈调速等。变极调速和无换向电机控制需要改造电机定子且不能平滑调速。定子侧变频控制在高压电机定子侧所需串联电力电子器件多，控制复杂，器件利用率低，可靠性差。串级调速可以用来控制高压电机的调速，但其最大的缺点就是功率因数低，转子电流为方波，对电网的高次谐波污染较大。双馈调速可以在电机同步转速上下对转速进行平滑调节，变频器容量小，价格便宜，既可以调节转速，也可以调节功率因数，转子电流正弦，对电网污染小。但单纯的双馈调速系统容量有限，需要另外配备起动装置，这样整个起动调速系统设备过多，占地面积大，维护起来复杂。

由上述内容可见，研制一种既能实现高压电机软起动，又能满足风机、泵类负载高效调速的要求，而且其价格还要远低于高压变频器的装置，对于电机系统的节能降耗具有重要的意义。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中软起动产品和调速产品的不足，提供一种实现高压电机软起动和高效调速一体化的装置，该装置能够使电机平滑软起动，在起动完成后根据负载的大小进行高效无级调速。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：由可变电抗变换器、变频器与阻抗变换组合单元、绕线式电机、智能控制器和两组接触器组成。其中：绕线式电机处于软起动状态时，可变电抗变换器的一次侧绕组三个端子与三相电源连接，该可变电抗变换器一次侧绕组的另外三个端子通过第一组接触器与绕线式电机的定子串接，该电机转子直接短连，该可变电抗变换器的二次侧绕组和变频器与阻抗变换组合单元连接。绕线式电机进入调速状态时，该电机的转子通过第二组接触器和变频器与阻抗变换组合单元串接，该电机的定子通过第一组接触器与三相电源连接，三相电源通过可变电抗变换器和变频器与阻抗变换组合单元串接。智能控制器和变频器与阻抗变换组合单元并接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下主要的优点：

1.通过可变电抗变换器和励磁变压器的复用，使软起动和双馈调速系统合二为一，既实现电机软起动又实现电机的双馈调速，装置体积小，用户投资低。

2.可以使电机按照给定的起动曲线平滑起动，起动过程电流限制在电机额定电流的2～4倍，大大减小了对电网的冲击；

3.可以使电机在运行过程中按照负载的大小无级调节转速并保持功率因数为1，使电机系统的能耗处于最低状态，同时转子侧变频器功率小(仅为电机容量的10％～30％)。

4.可变电抗变换器将高压与低压隔离，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本实用新型的硬件结构示意图。

图1中：1.可变电抗变换器；2.变频器与阻抗变换组合单元；3.绕线式电机；4.第一组接触器；5.第二组接触器；6.三相电源；7.智能控制器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型提供的高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，其结构如图1所示：该装置由可变电抗变换器1、变频器与阻抗变换组合单元2、绕线式电机3、智能控制器7和两组接触器组成。其中：绕线式电机3处于软起动状态时，可变电抗变换器1的一次侧绕组三个端子与三相电源6连接，该可变电抗变换器一次侧绕组的另外三个端子通过第一组接触器4与所述电机的定子串接，该电机转子直接短连，该可变电抗变换器的二次侧绕组与变频器与阻抗变换组合单元2连接；绕线式电机3进入调速状态时，该电机的转子通过第二组接触器5与变频器与阻抗变换组合单元2串接，该电机的定子通过第一组接触器4与三相电源6连接，三相电源6通过可变电抗变换器1与变频器与阻抗变换组合单元2串接；智能控制器7和变频器与阻抗变换组合单元2并接。

所述的可变电抗变换器1，是将传统电抗器的单绕组结构设计成具有原副边之分的多绕组结构，构成可变电抗变换器。

所述的变频器与阻抗变换组合单元2的结构如图1所示：由18个反向并联的晶闸管T1～T18和阻容保护电路组成。当绕线式电机3软起动时，变频器与阻抗变换组合单元2使用其中的晶闸管T1、T2、T9、T10、T17和T18；当绕线式电机3调速时，变频器与阻抗变换组合单元2使用全部晶闸管T1～T18。

所述的绕线式电机3可由无刷双馈电机替换。

所述的智能控制器7为现有技术，其主要由检测板、控制板、驱动板三部分组成。检测板得到的检测结果信号输出给控制板，控制板通过信号处理后，产生控制信号输出给驱动板，驱动和触发变频器与阻抗变换单元中的晶闸管。

本实用新型采用的第一组接触器4和第二组接触器5，它们分别由接触器K1～K3组成和由接触器K4～K6组成。

具体地讲，图1中：三相电源6分别与可变电抗变换器1的原边绕组三个端子和接触器K1的一侧相连，绕线式电机3的定子三相绕组分别和接触器K1以及接触器K2的公共端连接，可变电抗变换器1原边绕组(即一次侧绕组)的另外三个端子分别和接触器K2以及接触器K3的公共端连接，接触器K3的另一端短路连接。绕线式电机3的转子三相绕组分别和接触器K4以及接触器K5的公共端连接，接触器K4的另一端短路连接，接触器K5的另外三个接点与接触器K6的三个接点相连，接触器K6的另外三个接点分别和可变电抗变换器1的二次侧绕组的三个端子相连，且接触器K6的这三个接点短路连接。可变电抗变换器1副边绕组(即二次侧绕组)三个端子分别和接触器K6连接，且接触器K6的这一端短路连接。晶闸管T1～T6的公共端、晶闸管T7～T12的公共端、晶闸管T13～T18的公共端分别和接触器K5以及接触器K6的公共端连接，可变电抗变换器1副边绕组的另外三个端子分别和晶闸管T1～T18的另一端连接，晶闸管T1～T18组成三相交交变频器。

本实用新型用于高压电机的软起动和调速；高压电机软起动时采用的是可变电抗技术，高压电机调速时采用的是双馈调速技术。

本实用新型的工作过程是：当系统处于软起动状态时，K1断开、K2闭合、K3断开、K4闭合、K5断开、K6闭合，此时可变电抗变换器1原边三相绕组分别和定子三相绕组接成串联形式，可变电抗变换器1副边三相绕组则分别由其第一相与反并联的晶闸管T1～T6并联连接，第二相与反并联的晶闸管T7～T12并联连接，第三相与反并联的晶闸管T13～T18并联连接。其中，可变电抗变换器1副边第一相由反并联晶闸管T1和T2控制，在起动过程中不对T3～T6进行控制；可变电抗变换器1副边第二相由反并联晶闸管T9和T10控制，在起动过程中不对T7、T8、T11、T12进行控制；可变电抗变换器1副边第三相由反并联晶闸管T17和T18控制，在起动过程中不对T13～T16进行控制。此时，当装置接收到绕线式电机软起动的指令时，智能控制器根据比较电流互感器检测到的绕线式电机定子侧电流的大小和预设的起动电流大小的结果，调节变频器与阻抗变换组合单元中反并联晶闸管的导通角，间接控制加在绕线式电机定子上的电压，使电机平滑起动。具体地讲，智能控制器7检测电机定子侧的电压为晶闸管的触发提供同步信号，检测电机定子侧的电流并运算得出其平均值作为限流起动控制环节的反馈信号。按照给定的起动电流平均值幅值作为给定信号，与反馈信号相减后经过PI调节器输出电机定子电压给定值并计算晶闸管的触发角，通过调节晶闸管触发角调节可变电抗变换器1原边三相绕组的电压进而调节电机定子三相绕组的电压使电机平滑起动。

当绕线式电机3起动完成，进入双馈调速阶段，控制K1闭合、K2断开、K3闭合、K4断开、K5闭合、K6断开，此时可变电抗变换器1和绕线式电机3定子三相绕组并联接入三相电源6，可变电抗变换器1原边绕组为星形接法，可变电抗变换器1副边绕组同样成为星形接法，由T1～T18组成的三相交交变频器则分别与绕线式电机3的转子三相绕组连接，此时可变电抗变换器1成为励磁变压器。智能控制器对电机转子侧的交交变频器进行控制，根据系统的负载状态选择电机运行转速，通过控制改变加载到电机转子侧的三相交流电压来间接控制电机定子侧的转矩电流和励磁电流，从而控制电机达到给定转速，并在调速过程中可以保持电机定子侧的功率因数为1。具体地讲，智能控制器7根据绕线式电机3的负载状态求出所需的电机转速给定值，将给定转速与测速传感器测得的电机实际转速比较，并经PI调节输出电机转子转矩电流给定值Iq，同时根据给定的功率因数给定值(通常是1)与检测的功率因数反馈信号进行比较，并经PI调节输出转子励磁电流给定值Id，然后将给定的Iq和Id同检测到的反馈值进行比较后，经PI调节，并加上根据电机运行数学模型求出的电压前馈补偿量从而输出转子电压转矩分量Uq和转子电压励磁分量Ud，最后根据求得的定子磁链矢量的位置角和转子的位置角算出转子电流的滑差角，并做2/3坐标变换得到转子交交变频器三相电压给定值，交交变频器触发控制器根据三相电压给定值计算出每个晶闸管的触发角和导通角并发出控制脉冲给相应的晶闸管，从而实现绕线式电机3的调速和功率因数调节。

Claims (5)

1.高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，包括智能控制器(7)，其特征是该装置由可变电抗变换器(1)、变频器与阻抗变换组合单元(2)、绕线式电机(3)、智能控制器(7)和两组接触器组成，其中：绕线式电机(3)处于软起动状态时，可变电抗变换器(1)的一次侧绕组三个端子与三相电源(6)连接，该可变电抗变换器一次侧绕组的另外三个端子通过第一组接触器(4)与所述电机的定子串接，该电机转子直接短连，该可变电抗变换器的二次侧绕组与变频器与阻抗变换组合单元(2)连接；绕线式电机(3)进入调速状态时，该电机的转子通过第二组接触器(5)与变频器与阻抗变换组合单元(2)串接，该电机的定子通过第一组接触器(4)与三相电源(6)连接，三相电源(6)通过可变电抗变换器(1)与变频器与阻抗变换组合单元(2)串接；智能控制器(7)和变频器与阻抗变换组合单元(2)并接。

2.如权利要求1所述的高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，其特征是所述的变频器与阻抗变换组合单元(2)由18个反向并联的晶闸管T1～T18和阻容保护电路组成；当绕线式电机(3)软起动时，变频器与阻抗变换组合单元(2)使用其中的晶闸管T1、T2、T9、T10、T17和T18；当绕线式电机(3)调速时，变频器与阻抗变换组合单元(2)使用全部晶闸管。

3.如权利要求1或2所述的高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，其特征是绕线式电机(3)由无刷双馈电机替换。

4.如权利要求1所述的高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，其特征是绕线式电机(3)的定子三相绕组分别和接触器K1以及接触器K2的公共端连接，可变电抗变换器(1)的一次侧绕组的另外三个端子分别和接触器K2以及接触器K3的公共端连接，接触器K3的另一端短路连接；绕线式电机(3)的转子三相绕组分别和接触器K4以及接触器K5的公共端连接，接触器K4的另一端短路连接，接触器K5的另外三个接点与接触器K6的三个接点相连，接触器K6的另外三个接点分别和可变电抗变换器(1)的二次侧绕组的三个端子相连，且接触器K6的这三个接点短路连接；接触器K1～K3组成第一组接触器，接触器K4～K6组成第二组接触器。

5.如权利要求1或2或4所述的高压绕线电机软起动与双馈调速一体化装置，其特征是晶闸管T1～T6的公共端、晶闸管T7～T12的公共端、晶闸管T13～T18的公共端分别和接触器K5以及接触器K6的公共端连接，可变电抗变换器(1)的二次侧绕组的另外三个端子分别和晶闸管T1～T18的另一端连接，晶闸管T1～T18组成三相交交变频器。

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