CN217388568U - 实现多台同步电动机功率平衡的控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，包括1台工频同步电动机、n台变频同步电动机和n台变频器，n台变频器之间通过通讯总线连接形成控制回路，n台变频器与对应的n台变频同步电动机之间分别设有电流电压采样电路，工频同步电动机设有接入变频器的电压电流采样回路，还通过工频开关与电网相连构成工频驱动回路，工频同步电动机和n台变频同步电动机的各驱动轴间采用传动轴、变速箱以及皮带相互连接，实现动力耦合传递，本实用新型由变频器获取工频同步电动机的电压与电流采样信号，再控制各对应的变频同步电动机的输出功率与工频同步电动机保持一致，实现n台变频器对n+1台同步电动机的起动以及功率平衡控制。

Description

实现多台同步电动机功率平衡的控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种电气控制电路，特别是公开一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，是一种应用于电气控制技术领域的电路。

背景技术

随着工业的高速发展，工业控制系统日益发展与成熟，变频器在各种工控系统中得到了广泛运用，特别是在生产中经常会遇到相互间有机械联系的多电动机传动系统，多电动机传动是指一个生产机械或在一个工艺区段中有多台电动机同步运行，它们的运动彼此之间存在约束关系，属于非独立运行，且相互间通过物理连接件连在一起，例如磨机系统，由两台电动机进行同轴传动，通常采用经齿轮箱连在一起的传动方式，或两台电动机分别通过齿轮和磨机的外齿轮啮合来进行传动。目前的生产工艺中，基本上都是采用两台变频器驱动两台同步电动机的方案，结合具体生产工艺要求，实际应用现场基本不对电动机进行调速，通常使用两台变频器，主要目的为了实现软起动及两台电动机是功率平衡分配。而两台电动机就需要使用两台变频器的方案，不仅增加了前期的变频设备的投入成本，而且还增加了后期的维护成本。

发明内容

本实用新型的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，通过n台变频器即可实现对n+1台同步电动机的起动以及功率平衡分配功能，减少了工控系统中变频器设备的投入成本与维护工作量。

本实用新型是这样实现的：本实用新型为一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：包括1台工频同步电动机Ms、n台变频同步电动机及n台变频器，所述的n台变频同步电动机顺序记作第一变频同步电动机M1、第二变频同步电动机M2……第n变频同步电动机Mn，所述的n台变频器顺序记作第一变频器VFD1、第二变频器VFD2……第n变频器VFDn，其中n为正整数，且n大于或等于1，所述的n台变频器分别带有变频器控制系统，且相互之间通过通讯总线连接形成控制回路，所述的n台变频器与对应的n台变频同步电动机之间分别设有电流电压采样电路，形成采样回路，所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线的连接电路上分别设有对应的变频器供电开关QF，所述的工频同步电动机Ms设有接入第一变频器VFD1并形成采样回路电压电流采样电路，工频同步电动机Ms通过工频开关QFs与工频同步电动机连接母线相连构成工频驱动回路，同时工频同步电动机Ms和n台变频同步电动机的各驱动轴间采用传动轴、变速箱以及皮带等常规物理连接件和连接方式进行相互连接，实现动力耦合传递，负载12由各同步电动机的传动轴带动工作。

本实用新型所述实现多台同步电动机功率平衡的控制电路中所采用的n台变频器分别带有变频器控制系统，各变频器控制系统间通过通讯总线进行数据交互，所述n台变频器分别带有的变频器控制系统顺序记作：第一变频器VFD1控制系统、第二变频器VFD2控制系统……第n变频器VFDn控制系统，所述的第一变频器VFD1控制系统包括平均值计算器、工频同步电动机观测器、第一变频同步电动机观测器、第一速度调节器、第一转矩电流调节器和第一变频器执行单元，所述的第二变频器VFD2控制系统包括第二变频同步电动机观测器、第二速度调节器、第二转矩电流调节器和第二变频器执行单元，所述的第n变频器VFDn控制系统包括第n变频同步电动机观测器、第n速度调节器、第n转矩电流调节器和第n变频器执行单元。

所述的工频同步电动机Ms与变频同步电动机完成起动后，第一变频器VFD1通过对工频同步电动机Ms电压电流的采样，经工频同步电动机观测器获取工频同步电动机Ms实时功率Power_s 以及实时转矩Torque_s，实时转速Speed_s通过测速装置直接测得或通过工频同步电动机观测器获取，工频同步电动机实时转矩Torque_s与各变频同步电动机的参考转矩给定经平均值计算器计算得到系统平均转矩T_Average，各变频同步电动机的参考转矩给定与系统平均转矩T_Average的差值与转矩差调整比例系数Ks相乘后得到各变频同步电动机转矩差补偿值，同样的，各变频同步电动机的实时转速分别采用测速装置直接测得或由各变频器通过对各变频同步电动机电压和电流采样，经变频同步电动机观测器获取，将工频同步电动机Ms的实时转速Speed_s作为各变频器的速度给定信号，与各变频同步电动机的实时转速以及各变频同步电动机转矩差补偿值相减后得到相应的速度差值信号，通过各速度调节器得到各变频同步电动机的参考转矩给定，参考转矩给定经各转矩电流调节器调节输出再通过各自变频器执行单元驱动对应各变频同步电动机，最终经各变频器控制系统控制实现通过n台变频器对n+1台同步电动机的功率平衡工作。其中所述的转矩差调整比例系数Ks为常数，默认值为0.5，也可根据实际应用场合进行调整。

本实用新型中所述功率平衡的控制电路采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机，所述的变频同步电动机采用励磁同步电动机或永磁同步电动机。起动时工频开关QFs处于断开状态，励磁电流不投入，闭合所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线的连接电路上分别设置的变频器供电开关QF，由变频器驱动变频同步电动机运转直至工频转速，由于工频同步电动机Ms采用机械连接，经由耦合传递的动力带动，工频同步电动机Ms运行至工频转速，此时闭合工频开关QFs，逐步通过工频同步电动机Ms设置的励磁装置投入励磁电流，工频同步电动机Ms完成工频驱动运行。第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（第一变频器VFD1…第n变频器VFDn）控制系统控制对应的各变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

本实用新型中所述功率平衡的控制电路采用先变频器驱动工频同步电动机再切换至工频运行时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机，且在第一变频器VFD1和第一变频同步电动机M1之间设有第一切换开关KM1，在第一变频器VFD1输出线路至第一切换开关KM1之间的连接电路上顺序设有同步切换电抗器和第二切换开关KMs，并连接至工频同步电动机Ms。起动时工频开关QFs处于断开状态，电压采样s连接在开关QFs上方并接入第一变频器VFD1，实时采集工频同步电动机连接母线的三相电压的频率、幅值和相位，闭合各变频器对应的变频器供电开关（第一变频器供电开关QF1…第n变频器供电开关QFn），闭合第二切换开关KMs，断开第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms的回路连通，由第一变频器VFD 1驱动工频同步电动机Ms至工频转速，如果工频同步电动机Ms为励磁同步电动机，则首先由第一变频器控制励磁输出，各变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）受机械连接件约束，与工频同步电动机Ms同步旋转，当第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms到达额定转速后，第一变频器VFD1调节输出电压，使得第一变频器VFD1的输出电压与工频同步电动机Ms将要连接的工频同步电动机连接母线的三相电压的频率、幅值和相位一致，然后闭合工频开关QFs，断开第二切换开关KMs，工频驱动回路连通，如果工频同步电动机Ms为励磁同步电动机则励磁装置切换为工频自动控制，工频同步电动机Ms进行工频驱动运行。然后闭合第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动变频同步电动机M1运行的回路连通，各变频器（第一变频器VFD1…第n变频器VFDn）通过同步跟踪转速后分别驱动对应的变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）运行。闭合第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动第一变频同步电动机M1回路连通，各变频器（VFD1…VFDn）通过同步跟踪转速后驱动对应的各变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）运行。第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（第一变频器VFD1…第n变频器VFDn）控制系统控制各对应的变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

本实用新型中所述功率平衡的控制电路采用机械联锁旋转的方式起动工频同步电机并实现与工频同步电动机连接母线相位同步时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机，在工频开关QFs与工频同步电动机连接母线的连接电路上还设有接入第一变频器VFD1的电压采样电路，并形成工频同步电动机连接母线电压采样回路。起动时工频开关QFs处于断开状态，闭合所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线11的连接电路上分别设置的变频器供电开关QF，由变频器驱动变频同步电动机运转直至工频转速，如果工频同步电动机Ms采用的是励磁同步电动机，则励磁柜输出空载励磁电流，由于工频同步电动机Ms采用机械连接，经由耦合传递的动力带动，工频同步电动机Ms运行至工频转速，然后第一变频器VFD1通过电网电压采样与工频电动机电压采样结果的比较逐步调节工频同步电动机Ms转速，使得工频同步电动机的发电电压与工频同步电动机所处电网电压的频率和相位一致，此时闭合工频开关QFs，逐步通过工频同步电动机Ms设置的励磁装置投入励磁电流，工频同步电动机Ms完成工频驱动运行。第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（第一变频器VFD1…第n变频器VFDn）控制系统控制各对应的变频同步电动机（第一变频同步电动机M1…第n变频同步电动机Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

所述的平均值计算器采用下述公式进行计算得到系统平均转矩T_Average：

公式（1）

如果各所述变频同步电动机的功率不相同，各变频同步电动机的参考转矩（T ₁ *… T _n *）与工频同步电动机实时转矩Torque_s可以按照各自的额定功率进行比例分配，即转矩按照额定转矩进行百分比标定。

各同步电动机观测器中，对同步电动机三相电流采样信号Current分别用

、

和

表示，三相电压采样信号Voltage分别用

、

和

表示,采用下述公式计算实时功率Power、实时转矩Torque以及实时转速Speed:

公式（2）

公式（3）

公式（4）

Torque=K_m×I _d 公式（5）

其中K_m 为固定比例常数，由同步电动机参数确定。

Power= Torque×Speed 公式（6）

工频同步电动机Ms电压采样信号Ms_Voltage和电流采样信号Ms_Current经同步电动机观测器可计算得到实时功率Power_s、实时转矩Torque_s以及实时转速Speed_s。

同样地，各变频同步电动机（M1…Mn）电压采样信号(M1_Voltage... Mn_Voltage)和电流采样信号(M1_Current... Mn_Current)经同步电动机观测器可计算得到实时功率(Power_1... Power_n)、实时转矩(Torque_1...Torque_n)以及实时转速（Speed_1... Speed_n）。

速度调节器将速度的差值Speeddiff作为输入信号，根据下述公式计算得到转矩参考数值T*：

公式（7）

公式（7）中， t为积分时间，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kp和Ki的具体值由同步电动机参数确定。

各变频器将速度的差值（Speeddiff_1... Speeddiff_n）作为输入信号，经各速度调节器（1…n）计算得到各变频同步电动机的参考转矩（T ₁ *…T _n *）。

转矩电流调节器基于同步电动机的参考转矩T* 与实时转矩Torque，根据公式下述公式计算得到参考转矩电压V*：

公式（8）

公式（8）中， t为积分时间，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kp和Ki的具体值由同步电动机参数确定。

所述公式（7）和公式（8）中Kp和Ki的取值计算方式如下：

公式（9）

公式（10）

其中：

为电机漏感，

为电机额定电流，

为电机额定电压，

为调节器执行周期，

为电机定子电阻。

各变频器将变频同步电动机参考转矩（T ₁ *…T _n *）与实时转矩（Torque_ 1...Torque_n）作为输入信号，经转矩电流调节器（1…n）计算得到各变频同步电动机的参考转矩电压（V ₁ *…V _n *）。

本实用新型的有益效果是：通过设置电压电流采样电路和工频驱动回路，由变频器获取工频同步电动机的电压与电流采样信号，再控制各对应的变频同步电动机的输出功率与工频同步电动机保持一致，实现n台变频器对n+1台同步电动机的起动以及功率平衡控制，与现有技术相比，减少了变频器设备的成本投入与维护工作量。以磨机传动系统为例，变频器设备每千瓦价格按照300元计算，一套功率为10MW的磨机系统可节约变频器设备投入150万元。

附图说明

图1 是本实用新型采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机的设备连接示意简图。

图2 是本实用新型采用先变频器驱动工频同步电动机再切换至工频的设备连接示意简图。

图3 是本实用新型采用机械联锁旋转的方式起动工频同步电动机并实现与电网相位同步的设备连接示意简图。

图4 是本实用新型实现功率平衡的工作流程示意框图。

图中：

1、工频同步电动机电压采样回路；

2、工频同步电动机电流采样回路；

3、变频同步电动机的电压采样回路；

4、变频同步电动机的电流采样回路；

9、通讯总线；

10、工频同步电动机连接母线；

11、变频同步电动机连接母线；

12、负载；

13、连接件；

14、励磁装置；

15、同步切换电抗器；

16、电网电压采样回路；

50、第一变频器VFD1控制系统； 60、第二变频器VFD2控制系统；70、第n变频器VFDn控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

根据附图1～附图3，本实用新型为一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，包括1台工频同步电动机Ms、n台变频同步电动机（M1…Mn）和n台变频器（VFD1…VFDn）（n为正整数，且n≥1），所述的n台变频器之间通过通讯总线9连接形成控制回路，所述的n台变频器与对应的n台变频同步电动机之间分别设有电流电压采样电路，形成采样回路，即变频同步电动机的电压采样回路3和变频同步电动机的电流采样回路4，所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线11的连接电路上分别设有对应的变频器供电开关QF，所述的工频同步电动机Ms设有接入第一变频器VFD1并形成采样回路电压电流采样电路，即工频同步电动机电压采样回路1和工频同步电动机电流采样回路2，工频同步电动机Ms通过工频开关QFs与工频同步电动机连接母线10相连构成工频驱动回路，同时工频同步电动机Ms和n台变频同步电动机的各驱动轴间采用传动轴、变速箱以及皮带等常规物理连接件13和连接方式进行相互连接，实现动力耦合传递，负载12由各同步电动机的传动轴带动工作。

根据附图1，采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机时的设备包括1台工频同步电动机Ms、n台变频同步电动机（M1…Mn）和n台变频器（VFD1…VFDn）（n为正整数，且n≥1），所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机，所述的变频同步电动机采用励磁同步电动机或永磁同步电动机。所述的n台变频器之间通过通讯总线9连接形成控制回路，所述的n台变频器分别与对应的n台变频同步电动机电路连接，并分别设有与对应n台变频同步电动机形成采样回路的变频同步电动机的电压采样回路3和变频同步电动机的电流采样回路4，所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线11的连接电路上分别设有对应的变频器供电开关QF。所述的工频同步电动机Ms设有接入第一变频器VFD1并形成采样回路的工频同步电动机电压采样回路1和工频同步电动机电流采样回路2，工频同步电动机Ms通过工频开关QFs与工频同步电动机连接母线10相连构成工频驱动回路，同时工频同步电动机Ms和n台变频同步电动机的各驱动轴间采用传动轴、变速箱以及皮带等常规物理连接件13和连接方式进行相互连接，实现动力耦合传递。

起动时工频开关QFs处于断开状态，励磁电流不投入，闭合所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线11的连接电路上分别设置的变频器供电开关QF，由变频器驱动变频同步电动机运转直至工频转速，由于工频同步电动机Ms采用机械连接，经由耦合传递的动力带动，工频同步电动机Ms运行至工频转速，此时闭合工频开关QFs，逐步通过工频同步电动机Ms设置的励磁装置14投入励磁电流，工频同步电动机Ms完成工频驱动运行。

根据附图2，采用先变频器驱动工频同步电动机再切换至工频运行的控制电路，在第一变频器VFD1和第一变频同步电动机M1之间设有第一切换开关KM1，在第一变频器VFD1输出线路至第一切换开关KM1之间的连接电路上顺序设有同步切换电抗器15和第二切换开关KMs，并连接至工频同步电动机Ms。其他设备连接关系同上述采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机时的设备连接关系一致。本电路中所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机。

起动时工频开关QFs处于断开状态，电压采样s连接在开关QFs上方并接入第一变频器VFD1，实时采集工频同步电动机连接母线10的三相电压的频率、幅值和相位，闭合各变频器对应的变频器供电开关（QF1…QFn），闭合第二切换开关KMs，断开第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms的回路连通，由第一变频器VFD 1驱动工频同步电动机Ms至工频转速，如果工频同步电动机Ms为励磁同步电动机，则首先由第一变频器控制励磁输出，各变频同步电动机（M1...Mn）受机械连接件约束，与工频同步电动机Ms同步旋转，当第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms到达额定转速后，第一变频器VFD1调节输出电压，使得第一变频器VFD1的输出电压与工频同步电动机Ms将要连接的工频同步电动机连接母线10的三相电压的频率、幅值和相位一致，然后闭合工频开关QFs，断开第二切换开关KMs，工频驱动回路连通，如果工频同步电动机Ms为励磁同步电动机则励磁装置切换为工频自动控制，工频同步电动机Ms进行工频驱动运行。然后闭合第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动变频同步电动机M1运行的回路连通，各变频器（VFD1…VFDn）通过同步跟踪转速后分别驱动对应的变频同步电动机（M1…Mn）运行。

根据附图3，采用机械联锁旋转的方式起动工频同步电机并实现与电网（即母线）相位同步的电路，在工频开关QFs与工频同步电动机连接母线10的连接电路上还设有接入第一变频器VFD1的电压采样电路，并形成电网电压采样回路16，其他设备连接关系同前述采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机时的设备连接关系一致。本电路中所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机。

起动时工频开关QFs处于断开状态，闭合所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线11的连接电路上分别设置的变频器供电开关QF，由变频器驱动变频同步电动机运转直至工频转速，如果工频同步电动机Ms采用的是励磁同步电动机，则励磁柜输出空载励磁电流，由于工频同步电动机Ms采用机械连接，经由耦合传递的动力带动，工频同步电动机Ms运行至工频转速，然后第一变频器VFD1通过电网电压采样与工频电动机电压采样结果的比较逐步调节工频同步电动机Ms转速，使得工频同步电动机的发电电压与工频同步电动机所处电网电压的频率和相位一致，此时闭合工频开关QFs，逐步通过工频同步电动机Ms设置的励磁装置投入励磁电流，工频同步电动机Ms完成工频驱动运行。

本实用新型所述的控制电路实现多台同步电动机功率平衡的控制方法，具体如下：

根据附图4，本实用新型所述实现多台同步电动机功率平衡的控制电路中所采用的n台变频器分别带有变频器控制系统（顺序记作：第一变频器VFD1控制系统50、第二变频器VFD2控制系统60、……第n变频器VFDn控制系统70), 各变频器控制系统间通过通讯总线进行数据交互。第一变频器VFD1控制系统50包括平均值计算器、工频同步电动机观测器、第一变频同步电动机观测器、第一速度调节器、第一转矩电流调节器和第一变频器执行单元。第二变频器VFD2控制系统60包括第二变频同步电动机观测器、第二速度调节器、第二转矩电流调节器和第二变频器执行单元。第n变频器VFDn控制系统70包括第n变频同步电动机观测器、第n速度调节器、第n转矩电流调节器和第n变频器执行单元。

当工频同步电动机Ms与变频同步电动机（M1…Mn）完成起动后，第一变频器VFD1通过对工频同步电动机Ms电压电流的采样，经工频同步电动机观测器可获取工频同步电动机Ms实时功率Power_s 以及实时转矩Torque_s，实时转速Speed_s可采用测速装置s直接测得，也可通过工频同步电动机观测器获取，工频同步电动机实时转矩Torque_s与各变频同步电动机的参考转矩给定（T ₁ *…T _n *）经平均值计算器计算得到系统平均转矩T_Average，各变频同步电动机的参考转矩给定（T ₁ *…T _n *）与系统平均转矩T_Average的差值与转矩差调整比例系数Ks相乘后得到各变频同步电动机转矩差补偿值（Terrork_1… Terrork_n）。其中所述的转矩差调整比例系数Ks为常数，默认值为0.5，也可根据实际应用场合进行调整。

同样的，各变频同步电动机的实时转速（Speed_1…Speed_n）可分别采用对应的测速装置直接测得，也可由各变频器（VFD1…VFDn）通过对各变频同步电动机（M1…Mn）的电压和电流采样，分别经各变频同步电动机观测器获取。

将工频同步电动机Ms实时转速Speed_s作为各变频器的速度给定信号，与各变频同步电动机的实时转速（Speed_1…Speed_n）以及各变频同步电动机转矩差补偿值（Terrork_1… Terrork_n）相减后得到速度差值信号（Speeddiff_1... Speeddiff_n），通过各速度调节器（1…n）得到各变频同步电动机的参考转矩给定（T ₁ *…T _n *），参考转矩给定（T ₁ *…T _n *）经各转矩电流调节器（1…n）调节输出再通过各变频器执行单元（1…n）驱动各变频同步电动机（M1…Mn），实现n+1台同步电动机的功率平衡。

平均值计算器采用下述公式进行计算得到系统平均转矩T_Average：

公式（1）

如果各所述变频同步电动机的功率不相同，各变频同步电动机的参考转矩（T ₁ *… T _n *）与工频同步电动机实时转矩Torque_s可以按照各自的额定功率进行比例分配，即转矩按照额定转矩进行百分比标定。

各同步电动机观测器中，对同步电动机三相电流采样信号Current分别用

、

和

表示，三相电压采样信号Voltage分别用

、

和

表示,采用下述公式计算实时功率Power、实时转矩Torque以及实时转速Speed:

公式（2）

公式（3）

公式（4）

Torque=K_m×I _d 公式（5）

其中K_m 为固定比例常数，由同步电动机参数确定。

Power= Torque×Speed 公式（6）

工频同步电动机Ms电压采样信号Ms_Voltage和电流采样信号Ms_Current经同步电动机观测器可计算得到实时功率Power_s、实时转矩Torque_s以及实时转速Speed_s。

同样地，各变频同步电动机（M1…Mn）电压采样信号(M1_Voltage... Mn_Voltage)和电流采样信号(M1_Current... Mn_Current)经同步电动机观测器可计算得到实时功率(Power_1... Power_n)、实时转矩(Torque_1...Torque_n)以及实时转速（Speed_1... Speed_n）。

速度调节器将速度的差值Speeddiff作为输入信号，根据下述公式计算得到转矩参考数值T*：

公式（7）

公式（7）中， t为积分时间，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kp和Ki的具体值由同步电动机参数确定。

各变频器将速度的差值（Speeddiff_1... Speeddiff_n）作为输入信号，经各速度调节器（1…n）计算得到各变频同步电动机的参考转矩（T ₁ *…T _n *）。

转矩电流调节器基于同步电动机的参考转矩T* 与实时转矩Torque，根据公式下述公式计算得到参考转矩电压V*：

公式（8）

公式（8）中， t为积分时间，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kp和Ki的具体值由同步电动机参数确定。

所述公式（7）和公式（8）中Kp和Ki的取值计算方式如下：

公式（9）

公式（10）

其中：

为电机漏感，

为电机额定电流，

为电机额定电压，

为调节器执行周期，

为电机定子电阻。

各变频器将变频同步电动机参考转矩（T ₁ *…T _n *）与实时转矩（Torque_ 1...Torque_n）作为输入信号，经转矩电流调节器（1…n）计算得到各变频同步电动机的参考转矩电压（V ₁ *…V _n *）。

变频器执行单元基于参考转矩电压（V ₁ *…V _n *）生成三路SPWM（Sinusoidal PulseWidth Modulation，正弦脉冲宽度调制）波，变频器执行单元为由功率开关管组成的三相逆变器。功率开关管均采用MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）、IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换向晶闸管）等开关器件。

实施例1：

本实施例参考附图1与附图4，本实施例中工频同步电动机采用励磁同步电动机，变频同步电动机采用励磁同步电动机或永磁同步电动机。

本实用新型的功率平衡控制工作过程及控制原理如下：

阶段一：断开工频开关QFs，工频同步电动机Ms励磁电流不投入，闭合变频器供电开关（QF1…QFn），变频器驱动回路连通，起动各变频器（VFD1…VFDn）驱动对应的变频同步电动机（M1..Mn）运行，由于与工频同步电动机Ms采用机械连接，所以工频同步电动机Ms与其它变频同步电动机同步旋转。

阶段二：当工频同步电动机Ms到达额定转速时，闭合工频开关QFs，工频驱动回路连通，逐步投入励磁电流，工频同步电动机Ms实现工频驱动运行。

阶段三：第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（VFD1…VFDn）控制系统控制对应的各变频同步电动机（M1…Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

实施例2：

本实施例参考附图2与附图4。

本实用新型的功率平衡控制工作过程及控制原理如下：

阶段一：断开工频开关QFs，闭合变频器供电开关（QF1…QFn），闭合第二切换开关KMs，断开第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms回路连通，由第一变频器VFD 1驱动工频同步电动机Ms至工频转速，变频同步电动机（M1...Mn）受机械连接件约束，与工频同步电动机Ms同步旋转。

阶段二：当第一变频器VFD1驱动工频同步电动机Ms到达额定转速后，第一变频器VFD1调节输出电压，使得第一变频器VFD1的输出电压与工频同步电动机Ms所处电网电压的频率、幅值和相位一致，然后闭合工频开关QFs，断开第二切换开关KMs，工频驱动回路连通，工频同步电动机Ms工频驱动运行。

阶段三：闭合第一切换开关KM1，第一变频器VFD1驱动第一变频同步电动机M1回路连通，各变频器（VFD1…VFDn）通过同步跟踪转速后驱动对应的各变频同步电动机（M1…Mn）运行。

阶段四：第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（VFD1…VFDn）控制系统控制各对应的变频同步电动机（M1…Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

实施例3：

本实施例参考附图3与附图4。

本实用新型的功率平衡控制工作过程及控制原理如下：

阶段一：断开工频开关QFs，闭合变频器供电开关（QF1…QFn），变频器驱动回路连通，起动各变频器（VFD1…VFDn）驱动对应的变频同步电动机（M1…Mn）运行，由于工频同步电动机Ms采用机械连接，与其它变频同步电动机同步旋转，当工频同步电动机Ms到达额定转速时，如果工频同步电动机为励磁同步电动机，则由第一变频器VFD1控制工频同步电动机的励磁设备输出空载励磁电流。

阶段二：第一变频器VFD1通过电网电压采样与工频同步电动机电压采样的比较调节所驱动变频同步电动机的转速，使得工频同步电动机的发电电压与工频同步电动机所处电网电压的频率和相位一致，如果工频同步电动机为励磁同步电动机，第一变频器VFD1可控制其励磁电流输出的大小使励磁同步电动机的发电电压幅值与电网电压幅值一致，然后闭合所述工频开关QFs，工频驱动回路连通，工频同步电动机Ms实现工频驱动运行。

阶段三：第一变频器VFD1通过获取工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，通过本实用新型功率平衡控制电路经各变频器（VFD1…VFDn）控制系统控制各对应的变频同步电动机（M1…Mn）的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

本实用新型提供的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，适用于有机械联系的多台同步电动机的传动系统，如磨机应用场合，通过n台变频器实现n+1台同步电动机的软起动以及功率平衡分配，减少了变频器设备的成本投入与维护工作量。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，用于对本实用新型作详细解释，而并非是对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员显然可以根据本实用新型公开的内容对具体实施方式作各种等同修改、变化或等效替换，这些等同修改、变化或等效替换都应该属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围以本案权利要求书的描述为准。

Claims (7)

1.一种实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：包括1台工频同步电动机Ms、n台变频同步电动机及n台变频器，所述的n台变频同步电动机顺序记作第一变频同步电动机M1、第二变频同步电动机M2……第n变频同步电动机Mn，所述的n台变频器顺序记作第一变频器VFD1、第二变频器VFD2……第n变频器VFDn，其中n为正整数，且n大于或等于1，所述的n台变频器分别带有变频器控制系统，且相互之间通过通讯总线连接形成控制回路，所述的n台变频器与对应的n台变频同步电动机之间分别设有电流电压采样电路，形成采样回路，所述的n台变频器与变频同步电动机连接母线的连接电路上分别设有对应的变频器供电开关QF，所述的工频同步电动机Ms设有接入第一变频器VFD1并形成采样回路电压电流采样电路，工频同步电动机Ms通过工频开关QFs与工频同步电动机连接母线相连构成工频驱动回路，同时工频同步电动机Ms和n台变频同步电动机的各驱动轴间采用连接件进行相互连接实现动力耦合传递。

2.根据权利要求 1 所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：所述的连接件包括传动轴、变速箱及皮带。

3.根据权利要求 1 所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：所述功率平衡的控制电路采用机械联锁旋转的方式起动工频励磁同步电动机时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机，所述的变频同步电动机采用励磁同步电动机或永磁同步电动机。

4.根据权利要求 1 所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：所述功率平衡的控制电路采用先变频器驱动工频同步电动机再切换至工频运行时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机，且在第一变频器VFD1和第一变频同步电动机M1之间设有第一切换开关KM1，在第一变频器VFD1输出线路至第一切换开关KM1之间的连接电路上顺序设有同步切换电抗器和第二切换开关KMs，并连接至工频同步电动机Ms。

5.根据权利要求 1 所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：所述功率平衡的控制电路采用机械联锁旋转的方式起动工频同步电机并实现与工频同步电动机连接母线相位同步时，所述的工频同步电动机采用的是励磁同步电动机或永磁同步电动机，在工频开关QFs与工频同步电动机连接母线的连接电路上还设有接入第一变频器VFD1的电压采样电路，并形成工频同步电动机连接母线电压采样回路。

6.根据权利要求 1所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：起动时工频开关QFs处于断开状态，变频同步电动机由变频器驱动运转，工频同步电动机Ms经由耦合传递的动力带动运行。

7.根据权利要求 1所述的实现多台同步电动机功率平衡的控制电路，其特征在于：所述的控制电路通过所述的第一变频器VFD1带有的变频器控制系统采集工频同步电动机Ms的电压与电流采样信号，并通过各所述的变频器控制系统控制对应的变频同步电动机的输出功率与工频同步电动机Ms保持一致。

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