CN201878065U - 发电厂直流油泵软启动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发电厂直流油泵软启动控制器，包括与DCS系统连接的DCS控制系统接口端子，及与该DCS控制系统接口端子连接的继电保护单元，其特征在于：继电保护单元通过三路信号与主控制单元连接，主控制单元与降压斩波主电路单元连接，降压斩波主电路单元的输入端和输出端分别通过隔离开关和电流分流器与直流电源及油泵电机的接口端子连接，直流电源及油泵电机的接口端子与继电保护单元连接。该基于先进电力半导体器件IGBT和高频斩波技术为特征的新型直流油泵软起动控制器，用以替换传统的机械开关投切电阻式起动装置，以提高直流油泵控制系统的可靠性，降低故障率和维护工作量，为电厂发电机的安全运行提供保障。

Description

发电厂直流油泵软启动控制器

技术领域

本实用新型涉及一种发电厂润滑油泵系统直流油泵启动器，特别是一种用于控制发电厂直流油泵系统双备份中后备直流电机油泵的软启动控制器。

背景技术

发电厂润滑油泵系统用于汽轮机轴承的润滑和密封，通常，润滑油泵采用双备份的方式，即平时采用交流电机驱动油泵，而在交流电机由于电源故障停机时，启动另外一套后备直流电机油泵。由于直流油泵电机在启停时会产生很大的冲击电流，不仅对电动机的电枢绕组造成危害，严重时会造成继电保护和自动装置误动作，酿成事故。例如油泵出现故障，会造成发电机轴承“烧瓦”事故的发生。还可能引起直流电瓶的保护装置动作，结果使直流油泵不能正常启动。发电厂直流油泵起动控制装置目前绝大多数都采用机械开关(接触器)投切起动电阻的方式。尽管传统的方法是采用接触器触头开关分段切除起动限流电阻来限制起动电流，但是这种方法很容易使接触器触头被烧毁粘结，存在着开关寿命低，维护工作量大，装置损耗大，起动速度慢等问题。

解决这个问题的有效方法之一是不用机械开关，而采用先进的电力电子半导体器件和高频斩波技术实现对电机的“软起动”。由于半导体器件没有机械触头，也不存在燃弧的问题，因此其寿命很长。而通过高频斩波则可实现对电动机电枢电压的连续控制；另外，通过斩波控制还能实现对电动机最大电流的限制。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种发电厂直流油泵软启动控制器，在交流电机由于电源故障停机时，能够保证油泵系统的可靠运行。其接触器触头不存在燃弧被烧毁粘结现象，开关寿命长，维护工作量小，起动速度快。

本实用新型的目的是通过下述技术方案来实现的。

发电厂直流油泵软启动控制器，包括与DCS系统连接的DCS控制系统接口端子，及与该DCS控制系统接口端子连接的继电保护单元，其特征在于：继电保护单元通过三路信号与主控制单元连接，主控制单元与降压斩波主电路单元连接，降压斩波主电路单元的输入端和输出端分别通过隔离开关和电流分流器与直流电源及油泵电机接口端子连接，直流电源及油泵电机接口端子与继电保护单元连接，从而实现电机励磁电压的控制。

本实用新型的进一步特征在于：

所述主控制单元包括与继电保护单元相连接的继电保护接口，继电保护接口与时序发生器连接，时序发生器与积分电路连接，积分电路与脉宽调制器相连，脉宽调制器通过隔离光耦电路与驱动保护电路连接，驱动保护电路再通过隔离光耦电路与报警故障和限流保护电路相连，报警故障和限流保护电路与脉宽调制器连接。

所述降压斩波主电路单元包括单模块主电路和双模块主电路，所述单模块主电路由IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块以及一个LC滤波器连接构成；所述双模块主电路为在单模块主电路IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块输入端及LC滤波器的L1的输出端并联另一组IGBT模块G2和FRD快恢复二极管D3模块及LC滤波器L2。

所述降压斩波主电路单元设置在软启动控制器箱体的风扇和散热器上。

所述直流电源及油泵电机接口端子设有励磁绕组端子、直流母线正负端子、电枢绕组正极端子及电枢绕组公共端；所述降压斩波主电路单元输入端通过隔离开关分别与直流电源及油泵电机接口端子的直流母线正负端子连接；且直流母线正端和励磁绕组端子与继电保护单元相连，直流母线的负端与电枢绕组的公共端短接。

所述降压斩波主电路单元输出端上连接两个电流分流器，该两个电流分流器分别与继电保护单元和主控制单元相连。

本实用新型适用于直流油泵电机他励直流电机的启动，电枢电流将由电枢电压和很小的电枢电阻来决定。如果电枢电压比较高，那么启动电流将非常大，结果对电机绕组和电源造成冲击。本实用新型设法控制电动机的电枢电压来限制起动电流。

由于直流油泵电机直接连接直流电源，为了改变电机的电枢电压，必须设法将恒定的220V直流电源变换成受控电压源。因此采用全控型IGBT模块和快恢复二极管FRD构成降压斩波电路，并采用高频脉宽调制技术实现这种变换。采用降压斩波技术实现电机软起动控制，通过控制IGBT的占空比从0～100％变化，则斩波电路的输出给M的电压从零开始逐渐上升到最大值，即可实现电机的“软起动”。另外，在控制中需要检测并反馈电机的电枢电流，进而通过对输出电压的控制限制电机电枢电流的最大值。

本实用新型特点在于：

1)用先进的电力半导体器件IGBT(降压斩波主电路单元)来替换传统的机械开关，将之应用于发电机直流油泵电机控制中，解决了传统方式在开关过程中发生的燃弧烧损机械触头的问题，提高了装置的可靠性，基本上实现了免维护。

2)采用电力电子高频斩波技术(主控制单元与降压斩波主电路单元)代替机械开关投切电阻的控制方式，实现油泵电机电枢电压的连续调节，避免了分级切换对发电机的冲击，电机启动更平稳，同时也避免了传统方式由于串联电阻造成的电机起动转矩较低的问题，从而可以实现快速启动。

3)采用双模块并联均流、最大电流限制以及励磁电源控制等措施，可以大大提高了控制器承受较大过载电流的能力。

附图说明

图1为直流油泵软起动控制器结构示意框图；

图2为软起动控制器主控制单元结构示意框图；

图3为单模块斩波电路构造原理图；

图4为双模块斩波电路构造原理图。

图中：1、继电保护单元；2、主控制单元；3、风扇和散热器；4、降压斩波主电路单元；5、电流分流器；6、隔离开关；7、直流电源及油泵电机接口端子；8、DCS控制系统接口端子；9、继电保护接口；10、积分电路；11、脉宽调制(PWM)器；12、驱动保护电路；13、隔离光耦电路；14、报警故障和限流保护电路；15、时序发生器。

DC——200V直流电源；M——油泵直流电机；G(G1，G2)——IGBT；D(D1、D2、D3、D4、)——快恢复二极管；L——电感；C——电容。

具体实施方式

如图1所示，该发电厂直流泵软启动控制器，包括与DCS系统连接的DCS控制系统接口端子8，及与该DCS控制系统接口端子8连接的继电保护单元1，DCS控制系统接口端子8是电厂主控制室DCS系统与直流油泵软启动控制器的连接端子，通过DCS控制系统接口端子8将继电保护单元1与DCS系统连接起来。连接信号包括DCS系统送给软启动器的两路信号——起动信号或停止信号，以及软启动器反馈给DCS系统的六路信号——当前工作状态(合闸状态、电压值、电流值、报警状态、电机状态、电源状态)。

其中：继电保护单元1通过三路信号与主控制单元2连接，主控制单元2与降压斩波主电路单元4连接，降压斩波主电路单元4设置在软启动控制器箱体的风扇和散热器3上。降压斩波主电路单元4的输入端和输出端分别通过隔离开关6和电流分流器5与直流电源及油泵电机接口端子7连接，直流电源及油泵电机接口端子7与继电保护单元1连接。

本启动控制器的继电保护单元1采取常规的继电保护单元。包括有启动和停止控制电路、就地和软操控制电路、工作状态指示装置、报警控制电路、电源和风扇控制电路和励磁控制电路。

直流电源及油泵电机接口端子7设有励磁绕组端子、直流母线正负端子、电枢绕组正端及电枢绕组公共端；所述降压斩波主电路单元4输入端通过隔离开关6分别与直流电源及油泵电机接口端子7的直流母线正负端子连接；且直流母线正端和励磁绕组端子与继电保护单元1相连，直流母线的负端与电枢绕组的公共端短接。

降压斩波主电路单元4输出端上连接两个电流分流器5，该两个电流分流器5分别与继电保护单元1和主控制单元2相连。

如图2所示，主控制单元2包括与继电保护单元1相连接的继电保护接口9，继电保护接口9与时序发生器15连接，时序发生器15与积分电路10连接，积分电路10与脉宽调制器11相连，脉宽调制器11通过隔离光耦电路13与驱动保护电路12连接，驱动保护电路12再通过隔离光耦电路13与报警故障和限流保护电路14相连，报警故障和限流保护电路14与脉宽调制器11连接。

工作时，首先是继电保护接口9接收来自继电保护单元1的起动或停止信号，然后将该信号送给油泵电机起停时序发生器15，油泵电机起停时序发生器15对输入信号进行处理以后将输出信号送给积分电路10，积分电路10的输出作为脉宽调制器11的输入给定，脉宽调制器11的核心是一个SG3525脉宽发生器，脉宽调制器11的输出就是PWM波。PWM信号通过隔离光耦电路13送给驱动保护电路12，驱动保护电路12再将接收到的PWM信号转化为可以控制IGBT的驱动信号输出到降压斩波主电路单元4模块。另外，驱动保护电路12还检测斩波电路中IGBT两端的电压，据此发出一个电压报警信号通过隔离光耦电路13送给故障报警和限流保护电路14。故障报警和限流保护电路14接收来自隔离光耦电路13的电压报警信号和来自电流分流器5反馈的电枢电流值，与给定限定电流值进行比较，据此得到控制信号送给脉宽调制器11和继电保护单元1中的报警控制电路。

如图3、图4所示，降压斩波主电路单元4包括单模块主电路和双模块主电路，所述单模块主电路由IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块以及一个LC滤波器构成；所述双模块主电路为在单模块主电路IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块输入端及LC滤波器的L1的输出端并联另一组IGBT模块G2和FRD快恢复二极管D3模块及LC滤波器的L2。在小容量时采用单模块结构，在大容量时采用双模块并联结构。

本实用新型的工作原理是：

电厂主控制室(DCS操作系统)向继电保护单元1发出油泵直流电机启动或停止命令，继电保护单元1再将该命令传输给主控制单元2，主控制单元2中电机起停时的控制时序发生器15接收来自继电保护单元1的控制信号(电机启动或停止)。时序发生器15在电机起动初期，给软起动积分电路10输出一个初始控制电压，并维持一段时间，以适应油泵从静止状态开始起动的工况。由于油泵起动初期的负载转矩较大，所以一个阶跃的控制电压会使得电机电枢内瞬时产生一个冲击电流(当然，最大冲击电流会被限流电路限制)，从而产生一个较大的起动转矩，使电机快速带载起动。随着转速的升高，冲击电流迅速下降，积分电路10转入线性升压阶段。在积分电路10工作末端，时序发生器15还保证通过脉宽调制器11产生的PWM信号总是100％占空比，以确保IGBT完全导通，油泵电机全压运行。

积分电路10实现控制电压从低到高的线性变化，该变化通过脉宽调制器11产生宽度连续变化的PWM信号，进而控制降压斩波电路单元4中IGBT的占空比，进而使输出端产生连续升高的平均电压施加到电机的电枢端，控制电机软起动。同样的原理，通过积分电路10实现控制电压从高到低的线性变化，则可以实现电机的软停机。

IGBT的隔离驱动保护电路12控制降压斩波电路单元4中IGBT开关管的开通和关断并对IGBT通态管压降进行监测，当管压降升高到某个限定值，说明IGBT内流过短路电流，此时保护电路会立刻软关断IGBT，对其实施保护。当IGBT关断一段时间后，保护电路会对IGBT进行重启，如果IGBT导通后再次发生短路过流，则保护电路再次对IGBT进行关断，之后又延时重启，周而复始。如果IGBT过流状况消失，则延时重启后IGBT重新工作。在故障期间，驱动电路通过光耦隔离电路向故障报警限流模块14发送信号，进而将会向限流继电保护单元1发出报警信号。

故障报警和限流控制电路14通过电流分流器5检测和反馈电机实际的电枢电流，对其进行采样，比较控制。当该电流超过预设的最大限定值时，控制输入脉宽调制器11的电压下降，从而减小IGBT的占空比，降低电枢电压，使得电机转入恒流运行模式。对于电机发生堵转或短路等故障，这个功能能够最大程度的保护电机和控制器不会损坏，是整个控制器的关键保护之一。当发生过流，则故障报警和限流控制电路14会向继电保护单元1发出报警信号。

Claims (6)

1.发电厂直流油泵软启动控制器，包括与DCS系统连接的DCS控制系统接口端子(8)，及与该DCS控制系统接口端子(8)连接的继电保护单元(1)，其特征在于：继电保护单元(1)通过三路信号与主控制单元(2)连接，主控制单元(2)与降压斩波主电路单元(4)连接，降压斩波主电路单元(4)的输入端和输出端分别通过隔离开关(6)和电流分流器(5)与直流电源及油泵电机的接口端子(7)连接，直流电源及油泵电机接口端子(7)与继电保护单元(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种发电厂直流油泵软启动控制器，其特征在于：所述主控制单元(2)包括与继电保护单元(1)相连接的继电保护接口(9)，继电保护接口(9)与时序发生器(15)连接，时序发生器(15)与积分电路(10)连接，积分电路(10)与脉宽调制器(11)相连，脉宽调制器(11)通过隔离光耦电路(13)与驱动保护电路(12)连接，驱动保护电路(12)再通过隔离光耦电路(13)与报警故障和限流保护电路(14)相连，报警故障和限流保护电路(14)与脉宽调制器(11)连接。

3.根据权利要求1所述的一种发电厂直流油泵软启动控制器，其特征在于：所述降压斩波主电路单元(4)包括单模块主电路和双模块主电路，所述单模块主电路由IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块以及一个LC滤波器连接构成；所述双模块主电路为在单模块主电路IGBT模块G1和FRD快恢复二极管D1模块输入端及LC滤波器的L1的输出端并联另一组IGBT模块G2和FRD快恢复二极管D3模块及LC滤波器L2。

4.根据权利要求1所述的一种发电厂直流油泵软启动控制器，其特征在于：所述降压斩波主电路单元(4)设置在软启动控制器箱体的风扇和散热器(3)上。

5.根据权利要求1所述的一种发电厂直流油泵软启动控制器，其特征在于：所述直流电源及油泵电机接口端子(7)设有励磁绕组端子、直流母线正负端子、电枢绕组正极端子及电枢绕组公共端；所述降压斩波主电路单元(4)输入端通过隔离开关(6)分别与直流电源及油泵电机接口端子(7)的直流母线正负端子连接；且直流母线正端和励磁绕组端子与继电保护单元(1)相连，直流母线的负端与电枢绕组的公共端短接。

6.根据权利要求1所述的一种发电厂直流油泵软启动控制器，其特征在于：所述降压斩波主电路单元(4)输出端上连接两个电流分流器(5)，该两个电流分流器(5)分别与继电保护单元(1)和主控制单元(2)相连。

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