10kV數字式高壓定子調壓調速裝置的製作方法

2023-06-10 03:21:11 4

專利名稱：10kV數字式高壓定子調壓調速裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電機調速裝置，具體說涉及高壓繞線電機的可控矽定子調壓調速裝置。
背景技術：
由於歷史原因，我國傳統工業中容量大於450-500KW以上的交流電機均由高壓供 電，大多數是「單速」運行。在需要保證大啟動轉矩和調速例如起升場合，傳統方法是利用 繞線異步電機採用轉子串電阻調速，定子端接變頻器變頻調速和轉子迴路中串入可調節的 附加電勢的串級調速等方法。異步電動機轉子串電阻調速是通過接觸器串接不同數值的電阻來獲得不同的機 械特性，從而實現電力拖動的速度調節。雖然可以降低啟動電流到3 5倍額定電流(直 接啟動電流約5 7倍額定電流)，保證大的啟動轉矩，但還是對電路和機械結構有較大的 衝擊，啟動停止和換檔時速度變化不連續，不能實現精確定位，速度與負載有關係，不能實 現速度閉環。若採用改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的變頻調速，可實現大 轉矩，低啟動電流，精確調速節能等，但是其技術複雜，按目前通用變頻調速系統的組成結 構，其變頻器必須連接在電機定子側且容量須>電機容量。我國半導體工業基礎薄弱，目前 尚不具備自主開發或製造高壓大容量AC-DC-AC變頻器所需的自關斷器件及其配套大規模 集成控制電路晶片的條件，逆變功率元器件IGBT和IGCT國外實行技術封鎖，國內還無能力 製造，所以在高壓大電機中若採用變頻調速技術，需從國外進口高壓大容量變頻器，該類變 頻器價格高昂，想要普及或推廣使用非常困難。另外，變頻器輸出採用功率元件進行高速開 關，輸出電流含有大量高次諧波，常規電機極易導致電機軸電流過大燒蝕電機軸承，高Dv/ Dt使得對電機的絕緣要求很高，高次諧波極易汙染電網，幹擾其他設備正常工作，使用常常 需安裝隔離變壓器、濾波器、電抗器、無功補償等，這些都使得成本進一步提高。串級調速由於轉子迴路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速 的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差 功率返回電網或轉換能量加以利用，雖然該調速方法可將調速過程中的轉差損耗回饋到電 網但是存在系統功率因數低、諧波影響較大、調節範圍不大(70% 90%的額定轉速)、動 態響應不快、一般還需要增加回饋用的升壓變壓器、系統故障率較高等缺點。由於目前串級 調速技術尚不成熟，還沒有大範圍應用。

發明內容
針對上述電機調速出現的問題，本發明的調速裝置所要解決的技術問題是對工作 電壓1千伏 10千伏，額定電流50 2000A範圍的繞線式異步電動機進行調速，閉環調速 範圍可通過參數設定，閉環範圍內實現與負載無關的連續速度控制，其控制特性可以與直 流調速裝置和交流變頻速度閉環控制特性相媲美，閉環範圍外，通過切除轉子電阻加速，四象限驅動運行，可靠的電子式旋轉磁場換向。解決前述三種調壓技術中的價格昂貴、調壓精 度低、動態響應不快、調速範圍窄、機械衝擊大、不節能、功率因數低、諧波影響較大等問題。所述IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，包括電動機的定子控制裝置、轉子控制 裝置、制動裝置和安全裝置，其特徵是所述電動機的定子控制裝置包括連接在電動機定 子接線端的可控矽組件、輸出端與可控矽組件中的每一隻可控矽觸發極連接的正反向觸發 器、和與正反向觸發器的輸入端連接的控制系統，所述可控矽組件有多組，每一組為多級正 反向可控矽串聯，電動機定子的每一相接線端連接一組可控矽組件到一相供電端或並接兩 組可控矽組件分別連接到兩相供電端。根據電源電壓的高低，採取不同數量的可控矽組件進行串聯分壓，降低每隻可控 矽承受的實際電壓，經智能系統同步改變關聯的可控矽組件的相角來調節定子主迴路的電 壓，然後通過閉環控制實現與負載無關的0 士60%轉速的連續調節。本發明還具有以下優化方案，所述轉子控制裝置包括串聯在轉子每相接線端的多 級轉子電阻、投切每級轉子電阻的轉子接觸器和轉子接觸器控制器，每一級轉子電阻並聯 有一組轉子接觸器，每一個轉子接觸器的線包串入相應的轉子接觸器控制器。在士60%轉 速範圍以外，通過開環控制切換轉子電阻加速。所述電動機的定子控制裝置包含電流的閉環控制裝置。所述電動機的定子控制裝置包含速度的閉環控制裝置。所述速度的閉環控制裝置使用測速發電機作為速度反饋環節。所述安全裝置包括供電瞬態保護器、相位保護器、限位保護器、溫度監測器。採取了定子相角控制及電動機轉子切換電阻控制相結合的方案。在設定的閉環範 圍內(一般是-60% +60%的額定速度)實現與負載無關的連續速度控制，此範圍以外通 過切換轉子電阻加速。從靜止到全速運行的加速過程中，首先是閉環控制過程。當系統工作 時，首先由速度給定器送出信號，其大小決定了電機的轉速大小。給定信號與編碼器或測速 發電機反饋信號相減，即AU = ^-Ufi,其差值AU送至調節器，調節器的輸出送至觸發器， 使之輸出一定相位移的脈衝，可控矽則輸出一定的電壓，使電機的轉速與給定值相適應。如 果系統的實際轉速由於某種原因(如負載變大)低於給定信號對應的數值時，測速發電機 反饋回來的電壓下降，使調節器的輸入和輸出增大，觸發器發出的脈衝前移，迫使可控矽輸 出電壓上升，電機轉速升高，並穩定在所要求速度上，這時定子電壓也就保持不變了 ；反之 亦然。本發明的基本原理IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置是緊湊型三相晶閘管相角控制器，可在閉環和 開環的狀態下控制單個或多個繞線式異步電動機。定子調壓調速裝置通過兩組附加的晶閘 管產生反力矩，由觸發板控制晶閘管的通斷，使電動機可在四象限運行，在定子相角控制的 作用下改變電動機的定子電壓可達到調速的目的，但電動機使用的依然是頻率50Hz交流 H1^ ο定子相角控制定子相角控制是通過改變線電壓的基波振幅來實現的。給定電壓按一定的斜率從 零連續增加到最大，相角及控制時間也連續地增加，使得電動機的定子電壓也連續地增加， 從而速度也增加，電動機的力矩按定子電壓的平方的比例增加。圖1所示為定子相角控制的異步電動機的速度-轉矩特性曲線。圖中，Iitl是同步轉速，nN是正常工作點速度，Ma是無 定子相角控制的起動轉矩，Mm是電動機轉矩，MA*是帶定子相角控制的起動轉矩，M*是電動 機瞬時特性，M/是加速力矩。轉子切換電阻控制通過切換轉子電阻來改變電動機的力矩。對於固定的負載，改變電阻就會得到不 同的固定速度n2、n3、η4，同樣，負載改變，速度也改變。速度較低時，轉子輸出功率大部分 轉化為熱量消耗在轉子外部電阻上，避免電動機在低速時過熱。圖2所示為轉子電阻不同 時電動機的速度-轉矩特性曲線。圖中，A是電動機轉子短接特性曲線B、C、D是電動機轉 子串電阻特性曲線。圖中標記含義和圖1中相同。 本發明還採用了電子反向制動方式假定系統拖動恆定負載以正速度加速並穩定運行在a點，電動機處於電動狀態。 如果此時有減速或反向的指令，定子調壓調速裝置將封鎖正向晶閘管組同時觸發反向晶閘 管組，改變輸出電壓的相序，切換到反力矩運行方式，運行於b點。電動機處於發電制動狀 態，開始減速。此時，電動機的滑差值s = 2，並且定子調壓調速裝置輸出全電壓。電動機的 電流大於起動電流，因此，定子調壓調速裝置馬上自動降低輸出電壓，同時讓所有的轉子電 阻接入從而限制了最大電流。圖3所示為電子反向制動時的速度-力矩特性曲線。圖中標 記含義和圖1中相同。本發明可以對電壓1千伏 10千伏和電流範圍在50A 2000A的單個或多個繞 線式異步電動機在保證大啟動轉矩下進行平穩調速，具有節能，高動態特性和高精度，響應 速度快等特點，而且具有以下優點(1)安全，高動態特性，操作方便，通用，容易操作；(2)可在惡劣的環境下使用，運行平滑，減少對系統的衝擊，具有很高的動態控制 性能和控制精度；(3)對於改造舊的電動機系統是非常有效的傳動解決方案；用於新系統的解決方 案時，其性價比也比較有優勢；升級改造十分方便，從而能對現有系統進行顯著改善，改造 費用低。(4)控制功能實現了集成化，對接觸器控制和外部連鎖條件要求低；設計規劃和 配置作業少。(5)四象限的驅動運行，定子相角控制，通過可靠的電子式旋轉磁場換向。(6)裝置採用直接連接的結構，降低了裝配和調試的時間及次數，從而節約了投資。本發明填補了 IKV IOKV高壓繞線式異步電動機調壓調速系統的空白，特別適合 如礦山、深井等起升場合。


圖1是定子相角控制的異步電動機的速度-轉矩特性曲線，圖2是轉子電阻不同時電動機的速度-轉矩特性曲線，圖3是電子反向制動時的速度-力矩特性曲線，圖4是調壓調速的閉環控制原理框圖，
圖5是電動機調速系統的結構框圖，圖6是定子主迴路電路示意圖，圖7是用開關量進行調速的典型接線圖，圖8是用模擬開關量進行調速的典型接線圖。圖中1-A1組可控矽組件，2-正反相觸發器，3-A2組可控矽組件，4_B組可控矽組 件，5-電動機，6-C2組可控矽組件，7-C1組可控矽組件，8-轉子控制裝置，9-可控矽組件， 10-門控單元，11-電流檢測器，12-電流控制器，13-測速發電機，14-電流跟隨器，15-速度 控制器，16-轉子接觸器控制器，17-轉子接觸器，18-轉子電阻，19-溫度監測器，20-供電瞬 態保護器，21-相位保護器、22-限位保護器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明所述IOKV數字式高壓定子調壓調 速裝置，包括電動機的定子控制裝置、轉子控制裝置、制動裝置和安全裝置，如圖6所示，所 述電動機的定子控制裝置包括連接在電動機定子接線端的可控矽組件9、輸出端與可控矽 組件9中的每一隻可控矽觸發極連接的正反向觸發器2、和與正反向觸發器2的輸入端連接 的控制系統，所述可控矽組件9有多組，每一組為多級正反向可控矽串聯，電動機定子的每 一相接線端連接一組可控矽組件到一相供電端或並接兩組可控矽組件分別連接到兩相供 電端。根據電源電壓的高低，採取不同數量的可控矽組件9進行串聯分壓，降低每隻可控矽 承受的實際電壓，經智能系統同步改變關聯的可控矽組件9的相角來調節定子主迴路的電 壓，然後通過閉環控制實現與負載無關的0 士60%轉速的連續調節。如圖7、8所示，所述轉子控制裝置8包括串聯在轉子每相接線端的多級轉子電阻 18、投切每級轉子電阻18的轉子接觸器17和轉子接觸器控制器16。在士60%轉速範圍以 外，通過開環控制切換轉子電阻加速。如圖4所示，所述電動機的定子控制裝置包含電流的閉環控制裝置。所述電動機的定子控制裝置包含速度的閉環控制裝置。所述速度的閉環控制裝置使用測速發電機13作為速度反饋環節。所述安全裝置包括供電瞬態保護器20、相位保護器21、限位保護器22、溫度監測 器19。在系統工作前，安全電路應監測是否有相序錯誤，相位極度不平衡和三相供電的電 壓過度降低等故障。提供電氣聯鎖，保證在發生供電故障、相序錯誤、制動器反饋狀態不正 常、溫度過高等情況下輸出報警信號並內部封鎖脈衝，當故障沒有排除時，復位後又出現報 警信號，電動機不能運行。整個電動機調速系統的結構框圖如圖5所示。裝置輸出開關量信號控制轉子接觸器17，實現控制轉子電阻18的投切來配合調 速。速度給定採用主令器有級或模擬量無級給定，並用測速發電機13實現轉速反饋構成閉 環調速系統。可在四象限對轉速進行調節。當實際速度上升到開環控制過程的設定點時， 主令控制開始發出切換第一級轉子電阻的指令，隨著實際速度的不斷增加，逐步切換第二、 第三、第四級轉子電阻。在切換轉子電阻時，裝置會按預先設定的時間封鎖觸發脈衝，從而 降低了力矩的瞬時強度，確保機械部分、電網、電動機、裝置不會受到大的衝擊，同時保證了 轉子接觸器17觸點在無負荷狀態下動作，極大的延長了轉子接觸器17觸點的壽命。由於定子由高壓供電，定子主迴路由12對反並聯的可控矽和正反向觸發器組成
6(見圖6的Al、B、Cl組合或A2、B、C2組合)，可控矽相角控制用來改變加在電機上的電壓， 觸發器使定子電源換相，並通過邏輯控制使得觸發器換相時，在無電流狀態下自動切換，圖 6中，可控矽相角控制和正反向觸發器構成圖7和圖8中的門控電路。由於電機力矩與定子 電壓的平方成正比，因此控制電路則通過改變串聯在三相中的每相的可控矽的觸發角，來 改變電機的定子電壓。我們使用的觸發電路板，在任何額定的惡劣條件下觸發可控矽，可以 徹底解決溫度漂移和誤觸發可控矽的問題，觸發的可控矽容量也可達到3000安培。裝置摒棄傳統的接觸器換向方式，採用內置電子式換向，保證了動態響應速度和 精度。電機的加減速有可設置的加減速斜坡，以保證電機實現平穩的速度變化，對電機和齒 輪箱的機械衝擊力減至最小。另外，裝置在安全方面考慮非常全面。制動器的動作由裝置 給出，並且時刻監測制動器的狀態，異常時會封鎖，同時有故障信號給出。當裝置啟動時，會 預先建立啟動力矩後才會給出打開制動器的信號，防止啟動溜鉤。停止時先電氣制動，後機 械制動。速度降低到設定值時給出制動信號，但裝置直到電機停止旋轉後還持續一段時間 輸出電流產生力矩穩住電機，保證制動器在電機停穩時幾乎沒有相對旋轉時動作，且有充 足的時間讓制動器機械動作行程到位，這樣使機械磨損降至最低，延長摩擦片的壽命，還有 效防止了制動器機械行程動作沒有完全到位時引起的停車溜鉤現象。而傳統的制動方式一 般沒有上述功能，幾乎完全靠制動器的機械摩擦來實現減速停車，制動器摩擦片壽命很短， 經常需要調整間隙和更換摩擦片，存在較大安全隱患。模擬量控制調速舉例及開關量控制調速舉例(例如起升機構和平移機構)分別見 圖8和圖7。(1)速度給定如圖8，通過控制板的模擬輸入端子實現速度的無級給定，如圖7，通過控制板的 開關量輸入端子實現多段速給定。(2)速度反饋採用模擬式測速發電機13或數字式編碼器，直接連接到控制板相應的端子。(3)電動機溫度保護可採用KTY或PTC等多種常用的電動機溫度保護元件構成溫度監測器19。(4)制動器控制通過裝置內部的邏輯控制，檢測實際速度，在電動機基本處於預設的最小速度時 關閉制動器，電機電流延時後關斷，大大提高了安全性能，還減小了機械磨損。但在緊急停 車時，不檢測速度實際值，立即關閉制動器。(5)速度調節器通過調節PI (比例積分)調節器的值，調整速度的響應時間及調節時間。(6)起動脈衝對於起升機構，可設定起動脈衝的大小，打開制動器之前使電動機產生向上的力 矩，負載不會下滑。(7)電機換向和轉子投切電阻裝置通過內部邏輯控制，在監測到測速機反饋的電動機實際速度達到設定的接觸 器動作值時自動控制投切轉子接觸器17，使電機在不同速度時使用不同的速度-轉矩特性 曲線(見圖2)，保證速度和轉矩。轉子接觸器17動作時短時間封鎖觸發脈衝，實現無電流時切換，延長轉子接觸器17觸點壽命。具體如下見圖6，裝置內置5路可控矽組件，分別為Al路、A2路、B路、Cl路、C2路，其中Al、 B、Cl組合為使電機正向電動的可控矽組，其中A2、B、C2組合為使電機反向電動的可控矽 組，通過使用不同的可控矽組來實現電子控制正反轉和制動等動作。上升方向啟動和加速在待機狀態下，裝置發指令使Sl處於閉合狀態，轉子接觸 器KMl閉合，轉子電阻RO被短路，若給裝置上升一檔(一般約10%額定速度)運行命令，此 時裝置使用正向電動的可控矽組即Al、B、Cl路可控矽，電機運行遵循圖2中轉矩-速度特 性曲線C，根據給定的速度和實際負載大小及設置的啟動脈衝大小，裝置控制A1、B、C1路可 控矽的導通角，電機正向旋轉，同時，裝置檢測反饋的速度，若速度低於給定速度，在不超過 設定的最大電流前提下會加大導通角，使電機電壓升高，直到速度增加到給定速度，若速度 超過給定速度，裝置會使導通角減小，降低轉速直到等於給定速度。轉子接觸器是否動作與 設置的動作時對應速度值有關，如若給定速度為60%，S2設定的對應速度值為55%，那麼 當電機實際速度上升到時S2會閉合，此時電機運行參考圖2中特性曲線B，可控矽導 通角根據實際反饋速度進行調節。若主令給全速命令，裝置會在速度超過設定的閉環範圍 時逐步增大導通角直到全電壓輸出，S3、S4動作與S2描述相同，即達到設定值時動作，但動 作時裝置會短時間(可設置)封鎖可控矽觸發脈衝，實現轉子接觸器無電流投切，減小對機 械和電路的衝擊。此時裝置處於開環運行狀態。上升方向減速和回零位當主令由高速上升檔降檔或回零時，裝置會立即封鎖正 向電動可控矽組，開啟反向電動可控矽組A2、B、C2，進行反接制動，同時斷開所有轉子接觸 器，使所有電阻全部接入轉子迴路，實現最大反接力矩輸出，且由於接入轉子迴路的電阻最 大，保證了定子迴路電流不至過大，裝置會在不超過最大電流限制的前提下，控制導通角盡 可能輸出高電壓，使電機速度遵循設定的下降斜坡實現快速減速制動。下降方向啟動和加速主令給出下降命令時，首先導通的是正向電動的可控矽組 Al、B、Cl，Si、S2、S3、S4全部斷開，此時裝置屬於反接制動，重物處於下降狀態，根據反饋 速度調節導通角實現定子電壓調節，使實際速度達到給定值，當主令發出全速下降命令時， 裝置會在實際速度超過設定的閉環範圍時封鎖正向電動可控矽組，開啟反向電動可控矽組 A2、B、C2，並逐步使可控矽全導通，接觸器按照設定的接觸器動作值依次閉合，此時負載帶 動電機超同步速度旋轉，電機處於反向發電狀態。下降方向降檔和回零位當主令由高速下降轉換到低速下降或零位或上升時，裝 置立即封鎖可控矽組A2、B、C2，同時開啟可控矽組A1、B、C1並斷開所有轉子接觸器，進行反 接制動，同樣在保證電流不超過設定的最大電流情況下進行導通角調節輸出儘可能高的電 壓，由於轉子迴路電阻全部接入，保證相對電流最小時制動力矩最大。當速度降到主令給定 值時，按照上面描述的不同情況進行調節輸出。(8)限位保護輸入的限位信號通過裝置內部的限位保護器22邏輯控制使電動機減速或停止。
權利要求
1.一種IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，包括電動機的定子控制裝置、轉子控制裝 置、制動裝置和安全裝置，其特徵是所述電動機的定子控制裝置包括連接在電動機定子接 線端的可控矽組件(9)、輸出端與可控矽組件(9)中的每一隻可控矽觸發極連接的正反向 觸發器(2)、和與正反向觸發器(2)的輸入端連接的控制系統，所述可控矽組件(9)有多組， 每一組為多級正反向可控矽串聯，電動機定子的每一相接線端連接一組可控矽組件到一相 供電端或並接兩組可控矽組件分別連接到兩相供電端。
2.根據權利要求1所述的IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，其特徵是所述轉子控 制裝置(8)包括串聯在轉子每相接線端的多級轉子電阻(18)、投切每級轉子電阻(18)的 轉子接觸器(17)和轉子接觸器控制器(16)，每一級轉子電阻(18)並聯有一組轉子接觸器 (17)，每一個轉子接觸器(17)的線包串入相應的轉子接觸器控制器(16)。
3.根據權利要求1或2所述的IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，其特徵是所述電 動機的定子控制裝置包含電流的閉環控制裝置。
4.根據權利要求1或2所述的IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，其特徵是所述電 動機的定子控制裝置包含速度的閉環控制裝置。
5.根據權利要求4所述的IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，其特徵是所述速度的 閉環控制裝置使用編碼器或測速發電機(1 作為速度反饋環節。
6.根據權利要求1所述的IOKV數字式高壓定子調壓調速裝置，其特徵是所述安全裝 置包括供電瞬態保護器(20)、相位保護器01)、限位保護器(22)、溫度監測器(19)。
全文摘要
一種10kV數字式高壓定子調壓調速裝置，包括電動機的定子控制裝置、轉子控制裝置、制動裝置和安全裝置，其特徵是所述電動機的定子控制裝置包括連接在電動機定子接線端的可控矽組件(9)、輸出端與可控矽組件(9)中的每一隻可控矽觸發極連接的正反向觸發器(2)、正反向觸發器(2)的控制系統，所述可控矽組件(9)使用多級正反向可控矽串聯為一組，電動機定子的每一相接線端連接一組可控矽到一相供電端或並接兩組可控矽分別連接到兩相供電端。本發明可以對電壓1千伏～10千伏和電流範圍在50A～2000A的單個或多個繞線式異步電動機在保證大啟動轉矩下進行平穩調速，具有節能，高動態特性和高精度，響應速度快等特點。
文檔編號H02P3/20GK102088272SQ20091025411
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者代文蕤, 夏文選, 封小鈺, 王爭耀, 王會明, 蔣貞榮, 裴雲, 郭偉軍 申請人:武漢理工大學