低压大功率多支路交流电动机的多变频器调速系统

摘要

一种低压大功率多支路交流电动机的多变频器调速系统，属于电气工程技术领域，涉及大型机械装备的电气传动与电机控制，该系统包括低压大功率交流电动机和至少两台变频器，当是低压大功率多支路交流电动机时，将其多个并联支路绕组的输出端进行组合，组成至少两个三相输出端组，每个三相输出端组与变频器连接。低压大功率交流电动机的每组三相输出端子和与其相连的通用低压变频器构成了单独的回路，避免了以往高压变频器为高压异步电动机供电的驱动系统中，通用低压变频器可以采用SPWM控制方式，输出电压波形好，降低了变频器的价格，保障了变频器运行的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于一种电气工程技术领域，涉及大型机械装备的电气传动与电机控制，进一步说是一种低压大功率交流电动机的多变频器调速系统。

背景技术

中大型交流电动机，如高压异步电动机，主要作为矿山、石油、化工、电力以及给排水等系统的机械装备主驱动电机。为了减小电流，通常采用1kV以上的电压等级。这种电压等级不仅给电机的设计、制造和维护带来诸多问题，更重要的是对于需要变速节能的传动系统，相应的高压变频器价格十分昂贵，与低压变频器相比每千瓦的价格大约为2.5∶1左右。并且，其性能和可靠性都远不及低压变频器。因此，伴随产生了低压大功率异步电动机和低压大功率稀土永磁同步电动机的研制，近年来国内外低压变频器的功率越做越大。但是，低压大功率变频器会受到电流能力的限制，并且当变频器功率超过280kW时，变频器需要采用水冷的方式冷却，给使用带来诸多不便，尤其是北方地区户外使用，会带来诸多水处理、渗漏、防冻等问题；其极限电流值要受到电力电子器件的限制，目前的极限值只能在1000A以内。

针对中大型交流电动机变频调速系统存在的诸多问题，目前国内外对该技术的研究比较活跃，申报了多项专利。专利号：03126473.5，名称是改进型高压大功率变频器，在多副边绕组整流变压器的原边与电网高压开关之间串联有一缓冲电路，在变频器高压动力电源上电之初，可以通过所述缓冲电路限制充电电流，减少电网对变频器的上电冲击，但本质上没有改变高压变频器原来的不足。专利号：200610169615.2，名称是基于绝缘栅双极性晶体管的中功率低压变频器，虽然结构紧凑，功率密度大，安装便利，而且线路之间的杂生电感很小，但其自身冷却问题依然难以解决。一定程度上提高了变频器的性能，但根本上无法解决高压变频器性价比、可靠性与性能不及低压变频器的问题，以及低压大功率变频器极限电流问题及自身的冷却问题，其工程上的广泛应用受到限制。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明提供一种可靠性好，性价比高的适用于低压大功率多支路交流电动机的多变频器调速系统。

本发明将低压大功率多支路交流电动机中多个并联支路绕组的输出端进行组合(电动机的并联支路数尽可能多取，一般优选为电动机的极数，特殊情况，如当电动机采用分数槽绕组时，电动机并联支路数最多扩展到电动机极对数与槽数的最大公约数)，组成至少两个三相输出端组，每个三相输出端组与变频器连接；本发明同样适用于高压交流电动机，将高压交流电动机原来的串联绕组设计成多条并联绕组，组成多条并联支路(并联支路数选取的方法与低压大功率多支路交流电动机相同)，向外伸出至少两个三相输出端组，每个三相输出端组分别与变频器连接。本发明选用的变频器是低压变频器。

本发明的控制过程可由PLC或者单片机实现，低压大功率多支路交流电动机的多变频器调速系统的控制方法包括以下步骤：

步骤一：开始；

步骤二：读取输入指令，输入指令包括低压大功率交流电动机起动，正/反转，给定频率；

步骤三：判断低压大功率多支路交流电动机负载信号，进行变频器投切，电动机过载时投入变频器，轻载时卸下变频器。电动机负载信号即电流传感器的检测出的电动机工作电流信号与工作变频器总额定电流信号。

步骤四：执行变频器控制，判断变频器输出频率是否一致；当系统的控制信号由同一CPU统一给定时，直接进入步骤五。

当变频器输出频率不一致时，系统进行锁相同步控制，相邻变频器间设置锁相保护，

当变频器输出频率一致时，系统显示同步信号，进入步骤五；

步骤五：故障信息确认，执行变频器控制时，当系统发生电压、电流比设定值大或系统过热等现象时，系统发出故障信息；

步骤六：故障报警信号，存在故障信息时，变频器报警装置报警。

步骤四中所述的锁相保护，其中锁相环由鉴频鉴相器，环路滤波器，压控震荡器组成，

压控振荡器由变频器替代。

本发明的有益效果是在变频调速系统中，低压大功率多支路交流电动机的每组三相输出端子和与其相连的通用低压变频器构成了单独的回路，当一组回路故障时，不影响其它回路的工作，系统具备冗余能力，工作性能较以往单台变频器驱动电动机更加可靠；本发明采用多台通用低压变频器为中大型交流电动机供电，避免了以往高压变频器为高压电动机供电的驱动系统中，高压变频器串联而成的电力电子器件，对系统工作的可靠性造成的影响。通用低压变频器可以采用SPWM控制方式，输出电压波形好，降低了变频器的价格，保障了变频器运行的可靠性，变频器性价比显著提高；本发明在电动机起动过程中逐步投入变频，系统平滑起动，较以往起动方式效果更好；本发明的电气控制用来保证变频器根据电机负载的需要自动的进行投切，当电动机为中大型异步电动机时，由于异步电动机的工作特性，异步电动机在接近满载时运行效率最高；再则本发明可将大功率的交流电动机等分成多台小功率的电动机，因此每台变频器工作时电动机都工作在额定功率状态，系统运行效率大于90％，避免了矿山、石油、化工以及电力等企业机械驱动系统经常存在的“大马拉小车”现象。

附图说明

图1为本发明一种实施例的系统示意图；

图2为本发明一种实施例的控制系统连接图；

图3为本发明的锁相保护示意图；

图4为本发明的变频器投切瞬态过程框图；

图5为本发明的变频器投切保护过程框图；

图6为本发明的控制系统框图；

图7为本发明的系统控制程序流程图。

图中1第一三相绕组，2第二三相绕组，3第三三相绕组，4第四三相绕组，5第五三相绕组，6第六三相绕组，7第七三相绕组，8第八三相绕组，9第一变频器，10第二变频器，11第三变频器，12第四变频器，13鉴频鉴相器，14环路滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

本发明一种实施例的组成结构如图1所示，电动机为低压大功率异步电动机，其并联支路数优选为电动机的极数；图1中第一三相绕组1与第二三相绕组2按相同相序并联在一起构成一个输出端组，与第一变频器9相连；第三三相绕组3与第四三相绕组4按相同相序并联在一起构成第二个输出端组，与第二变频器10相连；第五三相绕组5、第六三相绕组6、第七输三相绕组7按相同相序并联在一起构成第三个输出端组，与第三变频器11相连；第八三相绕组8单独构成一个三相输出端，与第四变频器12相连，每个变频器的输入端与电网相连，电动机输出端子数和变频器连接方案可根据需要扩展或更改。

本发明的变频器连接如图2所示，FMP为变频器频率监视端口。图中被框入的两台电动机代表实际电动机中的两组三相绕组，分别向外伸出三相接线端子，它们分别被并接了一台通用低压变频器。两台变频器间设置了由PLC(或单片机)控制的锁相环节，图3为本装置中的一个锁相环，参考频率由第一变频器发出，锁相环由鉴频鉴相器PFD13、环路滤波器LF14和压控震荡器VCO组成，其中压控震荡器由变频器替代。图2中锁相保护环节的虚线表示本发明当系统控制信号由不同CPU发出时，相邻变频器间设置了锁相保护环节；若系统控制信号由同一CPU发出时，可去掉锁相保护环节；电动机周围的虚线表示本发明可以扩展到多台低压通用变频器联合为中大型交流电动机供电的完整系统。

本发明的变频器投切瞬态过程框图如图4所示，由电源端的电流传感器检测电动机的工作电流，比较工作变频器的总额定电流值A与传感器检测到的电动机工作电流值B，将其差值再与单台变频器的额定电流值C比较，如果差值大于单台变频器的额定电流值，且这种轻载状态超过门限时间后(门限时间一般设定为变频器允许的过载时间)，PLC(或单片机)命令系统卸下一台变频器；若差值为负，且这种过载状态超过了门限时间，PLC(或单片机)命令系统投入一台变频器。由于系统中的门限控制，避免了变频器投切过程中的不稳定性。

从图5可以看出，第二变频器10将要投入的时候，第一变频器9将频率端子发出的频率信号传递给同步控制单元，作为第二变频器10频率的基准，系统则自动切换到同步控制环节，利用锁相技术控制使第二变频10的输出频率和相位与第一变频器9的输出频率和相位达到一致，此时切换开关闭合，系统将第二变频器10安全投入，从而实现变频器的平稳投入供电。

本发明的系统控制框图与控制程序流程图如图6、图7所示：图5中PLC(或单片机)的外部输入信号包括外部指令集，电动机负载信号，锁相同步系统发出的频率信号。外部指令集是运行或检修人员对驱动系统发出的运行或停止指令、电动机正转、反转指令、故障复位指令、故障确认指令等给定的指令集，即人对系统的控制意图；电动机负载信号包括变频器电流监视端子发出的电动机过载信号和电动机轻载信号，命令变频器的投切；锁相同步系统发出的信号包括变频器输出频率一致信号和变频器输出频率调节信号。系统输出包括：故障报警与提示输出信号，系统运行状态提示信号和变频器频率输出信号。故障报警与提示输出信号提示工作人员系统运行的安全状况；系统运行状态提示信号指示出电动机的通电，转向，转速等需要的运行提示信号；变频器频率输出信号用来结合同步控制单元提供参考频率。图6为系统控制软件流程图，程序开始后系统读取输入命令，变频器工作，电动机起动，电动机负载检测信号判断电动机是否过载，若正常运行，程序控制各变频器同步运行；若系统工作在非额定状态下，当电动机过载时，程序控制系统投入变频器；当电动机轻载运行时，程序控制系统投入变频器。在系统额定状态下，程序可以对变频器进行控制，如频率调节，电动机正反转控制，制动运行等操作。在变频器的投切和控制过程中，系统始终对各变频器进行同步控制，从流程图可以看出，当变频器间同步运行时，系统显示出系统同步运行信号；当各变频器间不同步运行时，系统对各变频器进行锁相同步调节，使系统从新进入同步运行状态；按需求，系统还可以实现故障信息确认和报警等功能。