电机运行中三相交交变频器容错运行装置及方法

摘要

一种电机运行中三相交交变频器容错运行装置及方法，属于变频器容错运行方法。装置包括三个单相交交变频电路构成的三相交交变频电路，容错部分包括三个开关，每个开关连接三相交流电机出线端口和三相交交变频星形联结电路中点；在一组单相交交变频器故障切除后，用非故障的两组单相交交变频器保证电机正常运行；当某一组单相交交变频器发生故障时，闭合相应开关切除这组交交变频器，将该相电机绕组直接连接到变频器中点；使用非故障的两组单相交交变频器代替三相交交变频器，使电机三相绕组上保持三相对称正弦波。通过调整非故障的两组单相交交变频器的触发延迟角，使电机三相绕组上保持三相对称正弦波，保证电机在变频器故障下的正常运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变频器及容错运行装置及方法，特别是一种电机运行中三相交交变频 器容错运行装置及方法。

背景技术

在交流电机控制系统中，三相交交变频电路广泛应用于大功率交流电动机调速系统。 主要用于500kW或1000kW以上的大功率、低转速的交流调速电路中，在轧钢、矿山、 卷扬、船舶推进、水泥、风洞等传动领域取得很大的经济效益。既可以用于异步电机传动， 也可以用于同步电机传动中。但是在实际运行中，三相交交变频器的接线十分复杂，晶闸 管的数目也较多，易出现故障。交交变频器的故障会导致输出波形畸变，使得电机无法正 常运转，会导致经济的严重受损，更可能危及生命安全。

晶闸管交交变频电路，又被称作周波变流器。交交变频电路可以将电网频率的交流电 直接变化成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。三相交交变频电路主要应 用于大功率交流电动机调速系统，该电路是由三相输出电压各差120°的单相交交变频电 路组成。交交变频传动技术由德国西门子公司在20世纪60年代开发，在大容量传动领域 迅速发展。国内交交变频技术的发展从70年代开始，到90年代才取得长足发展。交交变 频器存在的缺点有：三相交交变频器电路接线复杂，所用晶闸管数量较多；输入功率因数 较低，需要进行适当的补偿；输入电流谐波含量大，频谱复杂等。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机运行中三相交交变频器容错运行装置及方法，解决在三 相交交变频器运行过程中，晶闸管故障导致系统无法正常运行的技术问题。

为了实现本发明的目的，解决上述技术问题的技术方案是：本发明包括三相交交变频 器容错运行装置及方法；

装置包括三个单相交交变频电路构成的三相交交变频电路和容错电路；所述的三相交 交变频电路采用星形联结方式；所述的容错电路包括三个开关，三个开关的一端分别连接 在三相交流电机出线端口，另一端连接在三相交交变频电路星形联结电路的中点；当某一 组单相交交变频器发生故障时，闭合相应开关切除这组交交变频器，并将该相电机绕组直 接连接到变频器中点；使用非故障的两组单相交交变频器代替三相交交变频器，在一组单 相交交变频器故障切除后，用非故障的两组单相交交变频器保证电机正常运行；使电机三 相绕组上保持三相对称正弦波。

容错运行方法包括：将故障的单相交交变频器切除，使用没有故障的两相交交变频电 路维持电机的正常运行；具体步骤如下：

第一步，得到故障所在的单相交交变频器；将故障相对应的开关闭合，使整个故障相 被短路切除；此时，故障相所连接的电机端口直接和星形联结的中点连接到一起；

第二步，调整非故障两相交交变频器的触发脉冲，使非故障的两相输出互差60°的电 压波形，在电机三相负载上可以形成互差120°的电压。

有益效果，由于采用了上述方案，在三相交交变频电路出现故障时，通过调整两相非 故障交交变频器的工作角度，能够用非故障两相维持正常运行，实现电机的正常运转。

检测到某一组单相交交变频器发生故障后，通过闭合开关切除这组交交变频器，一组 单相交交变频器故障相被切除后，用非故障的两组单相交交变频器保证电机正常运行；负 载采用星形联接的交交变频电路，交流电机三相绕组分别通过开关与三相交交变频器中点 连接；通过调整非故障的两组单相交交变频器的触发延迟角，可以使电机三相绕组上保持 三相对称正弦波，保证电机在变频器故障下的正常运行。

本发明建立在原有的三相交交变频器之上，结构简单实现容易，在单相交交变频器故 障时能够迅速转化成两相交交变频器，保证了负载的运行。

附图说明

图1a为星形联结方式三相交交变频电路简要原理图。

图1b为星形联结方式三相交交变频电路详细原理图

图2为单相交交变频电路原理图。

图3a为本发明采用的三相交交变频容错运行原理图。

图3b为图3a三相交交变频电路的开关闭合后等效电路图。

图4a为C相故障时的容错简化等效电路图。

图4b为C相故障时开关S₃闭合的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：

所述容错运行装置包括三个单相交交变频电路构成的三相交交变频电路和容错电路； 所述的三相交交变频电路采用星形联结方式；所述的容错电路包括三个开关，三个开关的 一端分别连接在三相交流电机出线端口，另一端连接在三相交交变频电路星形联结电路的 中点；当某一组单相交交变频器发生故障时，闭合相应开关切除这组交交变频器，并将该 相电机绕组直接连接到变频器中点；使用非故障的两组单相交交变频器代替三相交交变频 器，在一组单相交交变频器故障切除后，用非故障的两组单相交交变频器保证电机正常运 行；使电机三相绕组上保持三相对称正弦波。

所述的容错运行方法是：将故障的单相交交变频器切除，使用没有故障的两相交交变 频电路维持电机的正常运行；具体步骤如下：

第一步，得到故障所在的单相交交变频器；将故障相对应的开关闭合，使整个故障相 被短路切除；此时，故障相所连接的电机端口直接和星形联结的中点连接到一起；

第二步，调整非故障两相交交变频器的触发脉冲，使非故障的两相输出互差60°的 电压波形，在电机三相负载上可以形成互差120°的电压。

实施例1：为三相交交变频器的电路原理图。三相交交变频电路是由三相输出电压相 位各差120°的单相交交变频电路组成的，采用输出星形联结方式，如图1(a、b)为三 相交交变频输出星形联结接线原理图，图1a为简图，图1b为详图。从图中可以看出，星 形联结方式下，三组单相交交变频电路的输出端使用的是星形联结方式，并且，电动机的 三相绕组也使用的是星形联结。电机三相绕组的中点不和三相交交变频器的中点连接，且 三组单相交交变频器分别由三个变压器供电。

交流电机三相负载的出线端分别通过开关连接到三组单相交交变频器的星形结点上, 当其中一相交交变频器发生故障时，将该相对应的开关闭合，把该相交交变频器切除，通 过改变剩余两组单相交交变频器的工作方式使输出仍为正弦波形。

单相交交变频电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成。P组和N组都属于 相控整流电路，P组工作时产生正向电流，N组工作时产生反向电流。当P组与N组按一 定频率交替时，就能输出这个频率的交流电。改变P组与N组的切换频率就能改变输出 频率，改变电路工作的触发延迟角α就能改变输出电压幅值。

通过不断改变触发延时角α可以使交交变频电路的输出电压波形基本为正弦波，控制 触发延时角α的方法有很多，例如余弦交点法、移相原理控制法、锁相法等。由于余弦交 点法在特性上最优，输出谐波含量小，因此本发明采用的是余弦交点法。

设触发延迟角为α时，变流电路的输出电压为：

$\overline{u_o}=U_{d0}\cos \alpha ---\left(1\right)$

其中，U_d0为α＝0时整流电路的理想空载电压，为每次控制间隔内输出电压的平均 值。

设目标输出电压为：

u_o＝U_om sinω_ot

(2)

可以求得触发延迟角的余弦值为：

$\cos \alpha =\frac{U_{\mathrm{om}}}{U_{d0}}\sin {\omega }_{o}t=\gamma \sin {\omega }_{o}t---\left(3\right)$

γ称作输出电压比，γ＝U_om/U_d0(0≤γ≤1)。

可以得出

α＝arccos(γsinω_ot)

(4)

这就是用余弦交点法求交交变频电路触发延迟角α的基本公式。

P组和N组反并联时，可能会产生环流现象。为了避免环流，目前多数采用的是无环 流工作方式。无环流工作方式可以采用无环流逻辑控制，在P组工作时封锁N组，在N 组工作时封锁P组，可以通过无环流逻辑控制器来实现。同一时刻只有一组变频器运行， 形成互锁，确保不会出现环流。

将三组单相交交变频器按照相位互差120°的星形联结方式连接，可以得到三相交交 变频电路。没有发生故障时，通过上述计算，可以得到三组单相交交变频器的触发延迟角 的表达式：

$\left(\begin{array}{c}{\alpha }_A=\arccos \left(\gamma \sin {\omega }_{o}t\right)\\ {\alpha }_B=\arccos \left(\gamma \sin ({\omega }_{o}t-\frac{2\pi }{3})\right)\\ {\alpha }_C=\arccos \left(\gamma \sin ({\omega }_{o}t-\frac{4\pi }{3})\right)\end{array}\right),\gamma =\frac{U_{\mathrm{on}}}{U_{d0}}(0\le \gamma \le 1)---\left(5\right)$

本发明将电机的三相绕组的出线端分别通过开关S₁、S₂、S₃与三相交交变频器的星形 中点连接，可以保证三相交交变频器单相故障后的运行，电路图如图3a所示。以三相交 交变频器的C相故障为例对其进行分析。

若三相交交变频器的C相发生故障时，将开关S₃闭合。闭合S₃等于将C相交交变频 器短路切除，闭合三相交交变频器的开关S₃后的等效电路图如图3b所示。

如果将单相交交变频器看做是一个电压源型的电源，电机三相绕组看做三相负载，那 么，输出为星形联结的三相交交变频器可以进一步简化为如图4a所示的等效电路。在这 个简化图中，当C相发生故障后，开关S₃闭合，相当于C相电压源短路，等效电路变为 图4b。

若要使电机运转，则三相负载仍要为三相对称的正弦波，设三相负载Z_A、Z_B、Z_C的 相电压分别为：

$U_A={\mathrm{Ue}}^{j0},U_B=U{e}^{j\frac{2\pi }{3}},U_C=U{e}^{j\frac{4\pi }{3}}$

根据图4b中所标的电压方向，可以根据基尔霍夫电压定律写出电流源u_oA、u_oB的电 压方程式，如下：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{oA}}=U_A-U_C=\sqrt{3}U{e}^{j\frac{\pi }{6}}\\ u_{\mathrm{oB}}=U_B-U_C=\sqrt{3}U{e}^{j\frac{\pi }{2}}\end{array}\right)---\left(6\right)$

可以看出，若要使负载电压幅值不变，相位互差120°，需要将单相交交变频器的输 出电压提高到原来的倍，并且，可以看出，u_oA与u_oB之间的相位差变为 Δθ＝π/2-π/6＝π/3，即非故障两相交交变频器的输出电压相位差为60°。

根据上述原则，可以对非故障两相交交变频器的触发角进行设计。设非故障两相输出 电压分别为：

$u_{\mathrm{oA}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}\sin {\omega }_{o}t,u_{\mathrm{oB}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}\sin ({\omega }_{o}t-\frac{\pi }{3})$

以非故障A相为例，计算新原则下的A相触发延迟角。设A相新的触发延迟角为α_A′， 可以写出输出电压为：

$\overline{u_o}=U_{d0}\cos {\alpha }_A^{\prime }---\left(7\right)$

目标输出电压为：

$u_{\mathrm{oA}}=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}\sin {\omega }_{o}t---\left(8\right)$

则A相新的触发延迟角为α_A′余弦值为：

$\cos {\alpha }_A^{\prime }=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}}{U_{d0}}\sin {\omega }_{o}t={\gamma }^{\prime }\sin {\omega }_{o}t,{\gamma }^{\prime }=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}}{U_{d0}}(0\le \gamma \le 1)---\left(9\right)$

可以得出

α_A′＝arccos(γ′sinω_ot)

(10)

非故障B相的触发延迟角的计算方法和A相一样，通过计算，可以得到非故障相A、 B的触发延迟角的计算公式：

$\left(\begin{array}{c}{\alpha }_A^{\prime }=\arccos \left({\gamma }^{\prime }\sin {\omega }_{o}t\right)\\ {\alpha }_B^{\prime }=\arccos \left({\gamma }^{\prime }\sin ({\omega }_{o}t-\frac{\pi }{3})\right)\end{array}\right),$其中${\gamma }^{\prime }=\frac{\sqrt{3}{U}_{\mathrm{om}}}{U_{d0}}(0\le \gamma \le 1)$(11)

通过60°坐标系(又被称作gh坐标系)可以进一步解释两相交交变频器控制的原理， 三相ABC坐标系到gh坐标系的变换方程如下：

$\left(\begin{array}{c}{v}_g\\ v_h\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\end{array}\right),$可以写为$\left(\begin{array}{c}{v}_g=\sqrt{\frac{2}{3}}(v_a-v_b)=\sqrt{\frac{2}{3}{v}_{\mathrm{ab}}}\\ v_h=\sqrt{\frac{2}{3}}(v_b-v_c)=\sqrt{\frac{2}{3}}{v}_{\mathrm{bc}}\end{array}\right)$

可以看出，60°的控制是将相电压控制转化为线电压控制。

在交交变频器无法将电压提升到原来的倍时，也可以采用降压方式运行。保证非故 障两组单相交交变频器的输出电压和原来的相同，输出相位相差60°，这种情况下，电 机每相绕组的电压就下降为原本的但是三相绕组上的波形仍能保证三相对称。