CN204179985U - 一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其包括变频进线开关、变频出线开关，工频运行开关、同期装置、输入电压互感器、输入电流互感器、变频输出电压互感器、输出电流互感器、可编程控制器PLC和人机界面；人机界面上设有操作按钮，操作按钮包括“变频切工频”按钮、“工频切变频”按钮，可编程控制器PLC采用微处理器CPU，可编程控制器PLC分别与变频进线开关、变频出线开关，工频运行开关、同期装置、人机界面及变频器配连。其优点是，构思新颖、结构合理、便于使用，采用人机界面，按键切换，操作方便，自动化程度高，稳定可靠，很好的解决了现有电机进行变频和工频切换所遇到的需要停机进行操作而影响生产的难题。

Description

一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种控制装置，其属于变频与工频切换的控制领域，特别是一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其能够实现变频并网切换至工频，在不掉电的情况下由工频切换回变频的功能。

背景技术

据申请人所知，在变频与工频切换的控制领域，传统的电机在由变频启动再切换到工频时通常需要先断开与变频连接的高压开关，再投（接）入工频。申请人通过研究发现，由变频启动再切换到工频的这一转换过程，在电压波形相位不一致时会产生很大冲击，严重影响电网的电能质量和生产线的稳定运行，而且切换到工频后，再要从工频切换到变频，就必须停机，再投（接）入变频器，这样做的结果，会使生产线停下来，不能做到连续运行

发明的内容

本实用新型的目的是，针对上述现有技术存在的问题，进行改进，提出并研究一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置。本实用新型具有的特点是：方便、自动化程度高，可靠性好，易于推广。

本实用新型的技术解决方案是，包括变频进线开关、变频出线开关，工频运行开关、可编程控制器PLC和人机界面，可编程控制器PLC采用微处理器CPU，其特征在于：采用了同期装置、输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器；人机界面上设有操作按钮，操作按钮包括“变频切工频”按钮和“工频切变频”按钮，可编程控制器PLC分别与变频进线开关、变频出线开关、同期装置和人机界面配接；输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器与同期装置配接；变频进线开关分别配接高压母线和变频器，变频器连接限流电抗器，限流电抗器配接变频出线开关；输入电压互感器和输入电流互感器处于变频器和高压进线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连；输出电压互感器和输出电流互感器处于限流电抗器和变频出线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连。

其特征在于，同期装置设有AI接口和高速脉冲输出口。

其特征在于，同期装置的AI接口与输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器配接。

其特征在于，可编程控制器PLC设有输入端口及输出端口；输入端口有若干个，包括输入端口I00、输入端口I01、输入端口I02、输入端口I003、输入端口I04、输入端口I05、输入端口I06；输出端口有若干个，包括输出端口Q01、输出端口Q02、输出端口Q03、输出端口Q04。

其特征在于，同期装置的AI接口与输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器配接，从输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器的二次侧取得采样信号，并从同期装置的高速脉冲输出口输出对相完成信号给可编程控制器PLC。

其特征在于，可编程控制器PLC的输出端口Q01、输出端口Q04配连变频进线开关，输出端口Q01接收变频进线开关的合闸信号，输出端口Q04接收变频进线开关的分闸信号；输出端口Q02、输出端口Q05配连变频出线开关，输出端口Q02接收变频出线开关的合闸信号，输出端口Q05接收变频出线开关的分闸信号；输出端口Q03、输出端口Q06配连工频运行开关，输出端口Q03接收工频运行开关的合闸信号，输出端口Q06接收工频运行开关的分闸信号；输入端口I00配连变频进线开关，输入端口I00接收变频进线开关的状态反馈信号，输入端口I01配连变频出线开关，输入端口I01接收变频出线开关的状态反馈信号；输入端口I02接工频运行开关，输入端口I02接收工频运行开关的状态反馈信号；可编程控制器PLC的输入端口I06接同期装置，输入端口I06接收同期装置的对相完成信号。

其特征在于，人机界面配有RS485通信端口，人机界面通过RS485端口与可编程控制器PLC配接，与可编程控制器PLC进行通信。 

其特征在于，采用一台变频器与多台电机组合，根据工况需要随时切换到其中一台电机，使其进行变频节能运行。

其特征在于，可编程控制器PLC与扩展网络模块配接，可编程控制器PLC通过扩展网络模块与DCS或者综合自动化平台的第三方设备进行网络通信。

当本实用新型在变频切换工频时，通过操作人机界面的“变频切工频”按钮，使受本实用新型控制的装置开始自动执行下列步骤：变频器从0Hz开始启动电机，通过变频器，被启动的电机的工作频率由0Hz平稳地升为50Hz，在电机的机端频率达到49.90Hz时开始进入对相步骤，并同时调整变频器的输出电压幅值，使变频器输出电压与输入电压一致，在变频器输入电压波形与输出电压波形过零点重合时，变频器将电机的工作频率升至工频频率50Hz，持续5S（秒，下同），此时，由同期装置发送高速脉冲给可编程控制器PLC，可编程控制器PLC接收到同期装置发送的高速脉冲后，可编程控制器PLC将作出反应，命令合闸（接通）工频运行开关，并网时间持续0.2S，即分闸（断开）变频进线开关和变频出线开关。

在工频切换变频时，通过操作人机界面的“工频切变频”按钮，本实用新型开始自动执行下列步骤，先分闸工频运行开关，待电机的端电压衰减到一定程度，合闸变频进线开关和变频出线开关，变频器输出一定电压值，输出电流控制以小于额定电流为准，从50Hz逐渐降低频率扫频，待输出电流出现明显拐点，锁定当前对应的频率和压频比曲线对应值，变频器开始输出对应的压频比曲线，完成从工频切换为变频的步骤。

为提高变频器的效果，本实用新型可以采用一台变频器拖多台电机的拓扑方案，在具体应用中，可编程控制器PLC可以通过扩展IO模块来实现变频器一拖多的拓扑方案。本实用新型作为驱动电机变频和工频自由切换的控制装置可以利用变频无冲击切换工频运行的特点，可以无扰动、无冲击启动多台电机而不影响电网的供电质量，并能够根据工况需要随时切换到其中一台电机，进行变频节能运行。

本实用新型的优点是，构思新颖、结构合理、便于使用。采用人机界面，按键切换，操作方便，自动化程度高，稳定可靠，能够很好的解决现有电机进行切换所遇到的需要停机的影响生产的难题。

附图说明    

 图1、本实用新型的基本结构示意图。

图2、本实用新型的与可编程控制器PLC配接的组件相互电气连接示意图。

图3、本实用新型的可编程控制器PLC电连接示意图。

具体实施方式

下面，根据附图，祥细描述本实用型的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实用新型给出的实施例是一拖一的工况下使用的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其包括变频进线开关、变频出线开关，工频运行开关、同期装置、输入电压互感器（PT_in）和输入电流互感器（CT_in）、输出电压互感器（PT_out）和输出电流互感器（CT_out）、可编程控制器PLC和人机界面。其中：

人机界面上设有操作按钮，操作按钮包括“变频切工频”按钮和“工频切变频”按钮，可编程控制器PLC分别与变频进线开关、变频出线开关、同期装置和人机界面配接；输入电压互感器（PT_in）、输入电流互感器（CT_in）、输出电压互感器（PT_out）、输出电流互感器（CT_out）与同期装置配接；变频进线开关分别配接高压母线和变频器，变频器连接限流电抗器，限流电抗配接变频出线开关；输入电压互感器（PT_in）和输入电流互感器（CT_in）处于变频器和变频进线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连；输入电压互感器（PT_in）将供电系统输入高压侧电压转化为标准的100V信号，供同期装置采样。输入电流互感器（CT_in）将供电系统输入高压侧电流转化为标准的5A信号，供同期装置采样。输出电压互感器（PT_out）和输出电流互感器（CT_out）处于限流电抗器和变频出线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连。输出电压互感器（PT_ou）将输入高压侧电压转化为标准的100V信号，供同期装置采样。输出电流互感器（CT_out）将输入高压侧电流转化为标准的5A信号，供同期装置采样。变频进线开关处于高压母线和变频器之间，通过导线相互电连接。限流电抗器处于变频器和变频出线开关之间，通过导线相互电连接。变频出线开关处于限流电抗器和电机之间，通过导线相互电连接。工频运行开关处于高压母线和电机之间，通过导线相互电连接。高压母线引入高压母线柜中安装固定，高压母线柜配有闸刀和断路器，方便高压母线的引入和固定。高压母线输入线路中设有电源指示灯。

同期装置设有AI接口和高速脉冲输出口。同期装置的AI接口与输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器配接。同期装置的AI接口从输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器的二次侧取得采样信号，在变频器输出接近50Hz时进入对相步骤，对相步骤完成切换到工频时，从同期装置的高速脉冲输出口输出对相完成信号给可编程控制器PLC的输入端口I06。

可编程控制器PLC采用微处理器CPU，其芯片型号为 CPU224，市场上可以购买到。可编程控制器PLC的输出端口Q01接变频进线开关，接收变频进线开关的合闸输出信号，输出端口Q04接变频进线开关，接收变频进线开关的分闸信号；输出端口Q02接变频出线开关，接收变频出线开关的合闸信号，输出端口Q05接变频出线开关，接收变频出线开关的分闸信号；输出端口Q03接工频运行开关，接收工频运行开关的合闸信号，输出端口Q06接工频运行开关，接收工频运行开关的分闸信号；输入端口I00接变频进线开关，接收变频进线开关的状态反馈信号，输入端口I01接变频出线开关，接收变频出线开关的状态反馈信号；输入端口I02接工频运行开关，接收工频运行开关的状态反馈信号；输入端口I06接同期装置，接收同期装置的对相完成信号。人机界面配有RS485通信端口，人机界面通过RS485端口与可编程控制器PLC配接，与可编程控制器PLC进行通信。 

本实用新型在变频切工频时，通过操作人机界面的“变频切工频”按钮，装置开始自动执行以下步骤：

步骤一、PLC通过输出端口Q01和输出端口Q02输出信号，输出的信号为3秒脉冲信号，使中间继电器KA01和KA02得电，合闸变频进线开关和变频出线开关；

步骤二、通过变频器从0Hz开始启动电机，工频为50Hz，在电机的机端频率达到49.90Hz时开始进入对相步骤；

步骤三、进入对相步骤的同时调整变频器的输出电压幅值，使变频器输出电压与输入电压一致；

步骤四、在变频器输入电压与输出电压波形过零点重合时，变频器将电机的机端频率升至工频频率50Hz。

步骤五、变频器输入电压波形与输出电压波形重合后持续5S钟，同期装置通过输出端口PLC0（即高速脉冲输出口）给PLC的输入端口I06发送高速脉冲串；

步骤六、PLC通过输出端口Q03输出信号，输出的信号为3秒脉冲信号，使KA03继电器得电，从而使工频运行开关合闸，变频器并入电网，并网时间持续0.2S，PLC通过输出端口Q04和端口Q05输出信号，输出的信号为3秒脉冲信号，使KA04和KA05得电，命令分闸变频进线开关和变频出线开关，变频切工频步骤完成。

本实用新型在工频切变频时，通过操作人机界面的“工频切变频”按钮，装置开始自动执行以下步骤：

步骤1：PLC通过输出端口Q06输出信号，输出的信号为3秒脉冲信号，使继电器KA06得电，命令分闸工频运行开关；

步骤2：待机端电压衰减到一定程度，PLC通过输出端口Q01和输出端口Q02输出信号，输出的信号为3秒脉冲信号，使继电器KA01和KA02得电，命令合闸变频进线开关和变频出线开关，

步骤3： PLC发送变频器启动输出命令，变频器输出一定电压值，输出电流控制在以小于额定电流的设定阀值为准，从50Hz逐渐降低频率扫频；

步骤4：在扫频和测频过程中，等待输出电流出现明显拐点，拐点判断以设定电流阀值为准，锁定当前对应的频率和压频比曲线对应值，变频器开始输出对应的压频比曲线，完成从工频切换为变频的步骤。

应用本实用新型的优选方案，还包括扩展一台变频器带多台电机的方案，采用一台变频器与多台电机组合，根据工况需要随时切换到其中一台电机，使其进行变频节能运行。利用变频无冲击切换工频运行的特点，可以采用一键式自由无冲击启动多台电动机而不影响电网的供电质量，并且可以根据工况需要随时切换到其中一台电机，进行变频节能运行。

供电系统的高压侧电流转化为标准的5A信号，以供同期装置采样。

人机界面配有RS485通信端口，人机界面通过RS485端口与可编程控制器PLC配接，与可编程控制器PLC进行通信。 

同期装置AI接口从输入电压互感器（PT_in）、输入电流互感器（CT_in）、输出电压互感器（PT_ou）、输出电流互感器（CT_out）的二次侧取得采样信号，并从高速脉冲输出口输出对相完成信号给可编程控制器PLC的高速脉冲输入端口即输入端口I06。

可编程控制器PLC的输出端口Q01接收变频进线开关的合闸输出信号，输出端口Q04接收变频进线开关的分闸信号；输出端口Q02接收变频出线开关的合闸信号，输出端口Q05接收变频出线开关的分闸信号，输出端口Q03接收工频运行开关的合闸信号，输出端口Q06接收工频运行开关的分闸信号，输入端口I00接收变频进线开关的状态反馈信号，输入端口I01接收变频出线开关的状态反馈信号，输入端口I02接收工频运行开关的状态反馈信号，输入端口I06接收同期装置的对相完成信号。人机界面通过RS485端口与PLC进行通信。

可编程控制器PLC与扩展网络模块配接，可编程控制器PLC通过扩展网络模块与DCS或者综合自动化平台的第三方设备进行网络通信。

值得说明的：本实用新型的保护范围不仅局限于此以上所述的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应包涵在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，包括变频进线开关、变频出线开关，工频运行开关、可编程控制器PLC和人机界面，可编程控制器PLC采用微处理器CPU，其特征在于：采用了同期装置、输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器；人机界面上设有操作按钮，操作按钮包括“变频切工频”按钮和“工频切变频”按钮，可编程控制器PLC分别与变频进线开关、变频出线开关、同期装置和人机界面配接；输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器与同期装置配接；变频进线开关分别配接高压母线和变频器，变频器连接限流电抗器，限流电抗配接变频出线开关；输入电压互感器和输入电流互感器处于变频器和高压进线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连；输出电压互感器和输出电流互感器处于限流电抗器和变频出线开关之间，通过电磁耦合实现相互间配连。

2.根据权利要求1所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，同期装置设有AI接口和高速脉冲输出口。

3.根据权利要求2所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，同期装置的AI接口与输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器配接。

4.根据权利要求1所述的一种用于驱动电动机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，可编程控制器PLC设有输入端口及输出端口；输入端口有若干个，包括输入端口I00、输入端口I01、输入端口I02、输入端口I003、输入端口I04、输入端口I05、输入端口I06；输出端口有若干个，包括输出端口Q01、输出端口Q02、输出端口Q03、输出端口Q04。

5.根据权利要求2所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，同期装置的AI接口与输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器配接，从输入电压互感器、输入电流互感器、输出电压互感器、输出电流互感器的二次侧取得采样信号，并从同期装置的高速脉冲输出口输出对相完成信号给可编程控制器PLC。

6.根据权利要求4所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，可编程控制器PLC的输出端口Q01、输出端口Q04配连变频进线开关，输出端口Q01接收变频进线开关的合闸信号，输出端口Q04接收变频进线开关的分闸信号；输出端口Q02、输出端口Q05配连变频出线开关，输出端口Q02接收变频出线开关的合闸信号，输出端口Q05接收变频出线开关的分闸信号；输出端口Q03、输出端口Q06配连工频运行开关；输出端口Q03接收工频运行开关的合闸信号，输出端口Q06接收工频运行开关的分闸信号；输入端口I00配连变频进线开关，输入端口I00接收变频进线开关的状态反馈信号，输入端口I01配连变频出线开关，输入端口I01接收变频出线开关的状态反馈信号；输入端口I02接工频运行开关，输入端口I02接收工频运行开关的状态反馈信号；可编程控制器PLC的输入端口I06接同期装置，输入端口I06接收同期装置的对相完成信号。

7.根据权利要求1所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，人机界面配有RS485通信端口，人机界面通过RS485端口与可编程控制器PLC配接，与可编程控制器PLC进行通信。

8.根据权利要求1所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，采用一台变频器与多台电机组合，根据工况需要随时切换到其中一台电机，使其进行变频节能运行。

9.根据权利要求1所述的一种用于驱动电机变频和工频自由切换的控制装置，其特征在于，可编程控制器PLC与扩展网络模块配接，可编程控制器PLC通过扩展网络模块与DCS或者综合自动化平台的第三方设备进行网络通信。