無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置的製作方法
2023-06-21 15:59:01
專利名稱：無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型公開一種無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，是一 種供中壓普通繞線異步電動機或內饋式繞線異步電動機使用的轉子轉差率控制數字智能調 速裝置，屬於中壓(3千伏，6千伏，IO千伏)大容量電動機調速領域。
背景技術：
節能減排優化環境是實現我國國民經濟持續穩定發展的重要任務，是目前社會的主旋 律。推廣用電量最大的中壓電動機調速節能是節能降排的重大舉措之一。隨著全民節能意 識的增強，性能優良、安全可靠、價格較低的中壓交流電動機調速節能產品的需求量在迅
速增加。目前，中壓交流電動機高效調速裝置主要有兩種中壓變頻調速與串級調速。
中壓變頻調速是在中壓交流電動機的定子側施加中壓變頻器電源，改變定子側電壓和
頻率來調節電動機轉速。中壓變頻器容量通常為交流電動機容量的1.2 1.3倍。變換電壓 高(6千伏，10千伏)，需要多功率單元串聯，電源側還需要一臺多副繞組的大容量移相變 壓器(容量為電動機容量的1.4 1.5倍)給各個功率單元供電。因此，系統結構複雜，裝 置體積龐大，總體造價高。對於現場工藝要求電動機不能停車的使用場合，還必須增加旁 路設備，在中壓變頻器出現故障時，將電動機與中壓變頻器斷開，再將電動機直接接入中 壓電網(6千伏，10千伏)，直接起動電動機到全速，啟動電流很大，電動機加速很快，不 僅對電網衝擊大，生產工藝上也難於應對這種突加局面(如關風門)，致使生產受到影響。 在中壓變頻器修復後，還必須先將電動機從電網上斷開，在電動機停車過程中，與中壓變 頻器接通，變頻器必須試探性的測定電動機停車過程中的速度，給出與該速度相適應的頻 率與電壓，如果配合不好，會造成大電流衝擊，甚至高壓開關分閘使電動機停車，這樣會 給生產帶來巨大損失。
串級調速是一種古老的調速方式，由於功率因數太差，外饋變壓器體積大，逆變電路 在突發停電時出現顛覆，致使設備故障，因此很難推廣。但這種調速方式，是在電動機轉 子電路中控制轉差率調速，轉子電路電壓低(一般在1000伏左右)，避開了高壓引起的麻 煩；在調速範圍不高時(風機水泵要求的調速範圍都小)，裝置容量通常只有電動機容量的 60% 70%左右；主電路簡單，只有不控整流器、平波電抗器、晶閘管逆變器、外饋變壓 器，因此造價低；又能實現無級調速。所以人們一直在探索改進這種調速方式。早在上世 紀80年代，出現內饋繞線電動機，取消了外饋變壓器，減少了設備。90年代，又出現了 斬波串級調速。使用斬波(用晶閘管構成斬波電路)，將較低的轉子整流電壓(其值隨轉差率在變)升高到最大的固定直流逆變電壓，使晶閘管逆變器的功率因數有一定提高(0.866)，
但系統總體功率因數在電動機高速運行時仍低於電動機本身功率因數，隨著轉速降低，功
率因數仍降到較低值(0.4 0.5)。晶閘管斬波電路工作頻率低(600周)，線路複雜工作不 可靠。採用晶閘管逆變器，電流諧波也較大。同樣存在著突發停電致使逆變顛覆問題。由 於採用斬波，原來採用整流橋電壓當作實際速度構建速度閉環的方法，因為誤差太大不能 再使用，所以，有些產品採用開環控制斬波佔空比調速，調速性能自然很差；有些產品採 用外加簡易脈衝測速的方法構建速度閉環，不僅安裝麻煩，運行中還常出現脈衝丟失造成 速度失控問題。這些問題影響了斬波串調裝置的進一步推廣應用。
發明內容
本實用新型採用當前先進的電力電子器件與數字控制技術相結合的技術手段，解決了 現有技術中上述串級調速裝置存在的問題，公開一種無速度傳感器的中壓電動機轉差率控 制數字智能調速裝置，它是一種無速度傳感器測速、主電路構成簡單、數位化程度高、安 全可靠、操作方便、性能優良、功能完善、功率因數高、人機界面友好、可實現遠程控制 與管理的數字智能調速裝置。
本實用新型所述的無速度傳感器中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置包括電動機 M、軟啟動RQD設備、轉子轉差率控制調速SKT部分，轉差功率回饋SGH部分及可編 程控制器PLC組成。各部分功能明晰、完善，相互通信協調，整體由PLC統一管理。其 中，轉子轉差率控制調速SKT電路包括轉子整流器ZR、斬波器CH、數位訊號處理器 DSP1， DSP1硬體電路採用電流霍爾元件檢測電動機轉子電流Ir，用於計算電動機啟動過 程與全速運轉中的速度，檢測轉子整流電流Ic用於電流環的電流反饋，採用電壓霍爾元件 檢測直流逆變電壓Uc與外加斬波電感電壓用於計算電動機調速過程中的實際速度， 該速度用於速度環的速度反饋，DSP1還採集工藝量的值用於工藝環的工藝反饋，通過編制 DSP1程序構建工藝環、速度環、電流環實現轉差率控制與電動機速度調節，同時將交流轉 差功率轉換為直流電功率，送入電容器存儲；轉差功率回饋SGH電路包括逆變器INV、 濾波器LCL與數位訊號處理器DSP2， DSP2採用電壓霍爾元件檢測直流逆變電壓Uc， 採用隔離降壓變壓器檢測交流電源電壓(e。，^A)，用於計算電源電勢矢量E，採用電流 霍爾元件檢測逆變器INV電流(Ht)，用於計算逆變器INV電流矢量I，通過編制 DSP2程序實施回饋電路的電壓外環電流內環雙環矢量控制SVPWM，送出逆變器INV的 脈寬調製PWM控制脈衝，控制逆變器運行，將能量回饋電網，回饋電流是正弦波；通過 設定容性無功電流值的改變，如隨著轉速降低增加容性無功電流值，將有效的提高系統整體功率因數。濾波器LCL濾去高頻諧波，使注入電網的電流無諧波。PLC實施整體調速 系統的程序控制，故障綜合與處理，保證系統正常運行。本系統採用兩級控制與管理方式。 其控制步驟如下
1、 控制電源送電後，DSP1與DSP2自檢並初始化，PLC巡檢整體調速系統狀態。 在第1次起動電動機之前，需要在觸控螢幕上輸入電動機參數與工藝要求參數。之後，首先 判別是否存在與軟啟動電路相關的報警與故障，若存在，PLC在觸控螢幕上送出禁止合閘信
號並顯示出報警與故障類別，若無報警與故障，PLC送出允許電動機啟動信號；然後再判
別轉差率控制調速SKT部分與轉差功率回饋SGH部分是否存在報警與故障，若存在， PLC在觸控螢幕上送出禁止調速信號並顯示出報警與故障類別，若無報警與故障，送出允許 調速信號。在觸控螢幕上顯示信息的同時，也告知遠方集散型控制系統DCS中控室。
2、 在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室按下合閘按鈕，PLC控制電動機啟動；DSP1 檢測電動機運轉速度，如果系統允許進調速，則在電動機速度等於或大於設定速度時轉入 調速運轉；如果系統不允許進調速，或者觸控螢幕上設定直接啟動到全速，則在啟動到接近 全速時轉入全速運轉；在電動機啟動過程中，轉差功率回饋SGH調節系統被使能，雙環 矢量控制投入工作，為回饋能量做好準備。
3、 啟動過程中進入調速，或在全速時在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室按下調速按鈕 進入調速，DSP1調速系統立即被使能，速度電流雙環調速系統進入正常工作，經歷過渡過 程之後，電動機穩定在設定速度下運轉。調速系統工作過程中，回饋的轉差能量由轉差功 率回饋系統回饋電網。如果需要，可以通過手動/自動轉換開關轉入工藝閉環(壓力，流 量等)工作。
4、 PLC巡檢所述轉差率控制調速SKT系統與轉差功率回饋SGH系統，在觸控螢幕 上顯示電動機運行速度、轉子整流電流、轉子整流電壓、直流逆變電壓、逆變電路有功電 流、無功feit、有功功率、無功功率等ir據;若出現故障時，通過軟啟動設備將電動機切
換到全速運行，並在觸控螢幕上顯示故障類別及原因；若出現報警時，在觸控螢幕上只顯示報 警信息，提醒維護人員做應對處理。
5、 在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室可以根據工藝要求改變設定速度，或者，在工藝 閉環(如壓力，流量等)工作時，改變工藝設定值，電動機就在新設定的工況下運轉。
6、 如果工藝需要電動機全速運轉，在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室按下轉全速按 鈕，電動機按預先設定的加速度加速，在速度接近全速時，由PLC控制轉全速工作。
7、 在需要停車時，在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室均可以進行停車操作。操作後， 電動機自由停車。需要緊急停車時，在觸控螢幕上或在遠方DCS中控室均可以進行緊急停車操作。
本實用新型無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置所述的無速度傳 感器速度測量WSCS與電動機速度外環電流內環雙環控制與負載工藝外環控制，包括 DSP1硬體電路板、軟體程序與電流電壓採集系統。其中，無速度傳感器速度測量WSCS是
由兩種無速度傳感器速度測量方法聯合使用組成整個系統的無速度傳感器速度測量的。在
電動機啟動過程中與全速運行期間，使用電流霍爾元件採集電動機轉子側交流電流Ir，通 過轉子電流轉差頻率檢測，計算電動機運轉速度，該速度用於速度顯示與速度邏輯判斷； 在電動機調速工作時，使用電壓霍爾元件採集直流逆變電壓Uc與外加斬波電感電壓f/,， 實時計算調速工作過程中速度值，該值用於速度環的速度反饋與速度顯示。使用電流霍爾 元件採集直流斬波電流Ic用於電流環的電流反饋與斬波電流顯示；DSP1硬體電路由數字 信號處理器與其他集成電路、電壓/電流變換電路組成，軟體實現電壓電流採集值計算，電 動機無速度傳感器速度計算，速度電流雙環控制與調節，工藝環控制與調節，輸出佔空比 控制脈衝PWM,控制轉差率，實現速度調節。
本實用新型無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，所述的DSP2 實施回饋電路的電壓外環電流內環雙環矢量控制SVPWM，包括DSP2硬體電路板、軟體 程序與電壓電流採集系統。其中，DSP2硬體電路板由數位訊號處理器、A/D、 D/A與其他 集成電路、電壓/電流變換電路組成，DSP2軟體實現電壓外環電流內環雙環全數字矢量控 帝'J;電壓電流採集系統包括使用隔離降壓變壓器採集電源電壓(e。,^A)，用於計算電源電 壓矢量E，使用電流霍爾元件採集逆變器INV交流側電流(/。,/6，《)，用於計算有源逆變 器電流矢量I。在工作過程中，通過電壓外環維持直流逆變電壓Uc恆定，或按某種要求變 化，如在輸出容性無功功率時，適當提高直流逆變電壓值，適應輸出電壓升高的需要；另 外，改變無功電流設定，如隨著轉速下降，在電動機反饋繞組或外饋變壓器副邊繞組容量 允許的前提下，升高無功電流設定值，可以提高整個系統的功率因數。由於PWM採用空 間矢量調製，饋入反饋繞組或外饋變壓器的電流是正弦波電流，經過LCL濾波後無諧波。 也就是說，本實用新型採用的逆變器，不僅去除了晶閘管逆變器產生的無功功率與諧波， 而且，還能向系統輸送容性無功功率，抵消電動機定子勵磁產生的感性無功功率。如果反 饋繞組容量足夠，或者，對於外饋變壓器的方案，用戶要求在調速範圍內，功率因數均維 持較高值是可以實現的，這就克服了傳統串調系統的缺點。運行中，電源電壓有效值、逆 變電流有效值、有功電流分量、無功電流分量、有功功率、無功功率均可在需要時通過預 先設定在屏幕上顯示。DSP2軟體還可以檢測直流逆變過電壓、逆變器過電流、缺相、掉電、 過熱等故障，進行相關故障處理。本實用新型中數位訊號處理器採用TI公司生產的2407、 2812型產品或其他公司同 類型產品。
本實用新型所述的DSP1與DSP2有通過RS232/RS485通信接口相互通信或與 DCS中控室實現遠程通信管理子程序，也有通過CAN現場總線與DCS中控室組成局域 網的通信子程序。
本實用新型無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，在供電電網突 發停電時，具有電網快切功能與短時停電再啟動功能。儘量避免突發短時停電對大系統產 生嚴重影響。
本實用新型所述的PLC實施整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。PLC的應 用軟體控制整體調速系統的全過程。在電動機起車之前，巡檢各部分，均正常時給出允許 啟動並且可以進調速信號；若啟動設備不正常時在屏幕上顯示出故障或報警信息，同時給 出禁止合閘信號；若轉差率控制調速與能量回饋部分有報警與故障時，在觸控螢幕上顯示報 警與故障類別，同時給出禁止調速信號；只要允許啟動，現場要求起車時，可以先啟動電 動機進入全速運轉後，轉換到維修狀態，邊運行邊檢修。在系統運行中，在本地(控制櫃) 或遠方DCS可以對電動機進行各種操作。若DSP1與DSP2檢測到任何故障與報警，均 會立即送至PLC, PLC對於停機故障，立即發出停機命令並顯示故障類別；對於轉全速故 障，立即通過軟啟動設備做轉全速處理，並顯示故障類別；對於報警只顯示報警內容，提 醒維護人員處理。所述的PLC的硬體選用西門子公司S7—200或其他公司小型機。
本實用新型無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置將會帶來顯著的 經濟效益與社會效益。與中壓變頻器相比，本實用新型提供的調速裝置價格在各種容量等 級上只有中壓變頻器的一半左右，而在性能上，具有中壓變頻器所具有的優點，如啟動平 穩，啟動到設定速度就穩定在設定速度運轉，無級調速，調速精度高，響應快，功率因數 高，諧波小等，卻避開了中壓變頻器容量大於電動機容量，裝置內部電壓高，線路複雜， 體積龐大的困難，用低壓裝置控制中壓電動機，用(50% 70%)電動機額定容量的裝置控 制100%容量的電動機，主電路簡單，器件少，同樣滿足大功率風機與水泵50%調速要 求，更可貴的是方便維修。在裝置出現故障時，可以通過軟啟動設備平穩地將電動機升速 到全速，然後，轉換到維修狀態，裝置完全與電動機脫開進行維修，完成維修後，再轉換 到運轉狀態，按下調速按鈕，平穩地返回到原工作狀態。本裝置在供電網突發停電時，還 具有電網快切功能，快速恢復供電。若停電時間較長，自動回到啟動狀態，來電時通過軟 啟動升速到設定速度再進入調速狀態工作。對大系統影響很小。用本裝置進行節能改造， 一年內就可以收回裝置成本。改造工程可以節省大量電能，降低生產成本，優化工藝過程。這是利國利民的大事。
以下結合附圖，對本實用新型作進一步說明。
圖l是內饋繞線電動機採用本實用新型的電原理圖2是普通繞線電動機採用本實用新型的電原理圖3a是IGBT導通時本實用新型無速度傳感器速度計算等值電路圖3b是IGBT封鎖時本實用新型無速度傳感器速度計算等值電路圖4是本實用新型採用的工藝環、速度環、電流環調節系統結構圖5是本實用新型採用的轉差功率回饋電壓電流雙環矢量控制調節系統結構圖。
具體實施方式
本實用新型採用當前先進的電力電子器件與數字控制技術實現無速度傳感器的中壓電 動機轉差率控制的數字智能調速系統。
根據附圖l: M是內饋繞線異步電動機，其定子繞組由6千伏或10千伏電網供電。
RQD是電動機軟啟動設備(頻敏變阻器，水電阻等)，電動機轉子接觸器控制電路與維修轉 換開關等，接觸器控制電路受控於PLC，輔助接點的狀態也回饋到PLC。通常，小容量電 動機(1000千瓦以下)採用頻敏變阻器啟動，大容量電動機(1000千瓦以上)採用水電阻 啟動。轉差率控制調速SKT電路包括電動機轉子側二極體整流器ZR、斬波器CH與數 字信號處理器DSP1，轉子側電流Ir與斬波器輸入電流Ic由電流霍爾元件檢測，其測量 值送DSP1，直流逆變電壓(電容器C電壓)Uc由電壓霍爾元件檢測，其測量值送DSP1。 轉差功率回饋SGH電路包括有源逆變器INV，濾波器LCL與數位訊號處理器DSP2， 電源電壓由隔離變壓器降壓後送DSP2檢測，逆變器交流側電流由電流霍爾元件檢測，其 測量值送DSP2。
本實用新型採用當前先進的電力電子器件與數字控制技術實現無速度傳感器中壓電動 機轉差率控制數字智能調速裝置中包含的工藝環、速度環、電流環如附圖4所示。構建這 些閉環，尤其是如何構建含有斬波器環節的繞線電動機電流環，多年來是有爭議的。核心 問題是如何認識調節對象。本實用新型力求用最簡單適用的方法實現。為此，首先闡明繞 線電動機轉差率控制調速SKT的控制原理，由此說明本實用新型採用的工藝環速度環電流 環調節系統是如何構建的。在闡明原理時，應將轉子整流電路ZR與斬波器電路CH —起 考慮，作為一個整體分析。根據附圖1，轉子電勢經過二極體整流橋整流後為直流電壓Ur。 轉子整流電路與一般的整流電路有所區別，在正常調速工作時，轉子電勢為Er=SXUrO ，
式中，S——轉差率，
Ur0——電動機轉子開路電壓； 轉子電勢的幅值和頻率都是轉差率的函數，在調速範圍內， 一般最高頻率也只有25周。 在過去的串級調速電路中，沒有斬波器電路，整流電路中換向重疊現象比較嚴重，在增加 斬波電路之後，換向重疊可以忽略(原因見下文)；再假定整流器件為理想器件，忽略管壓 降與漏電流，這樣，在每個斬波周期中，斬波電流只在轉子兩相中流動，將轉子電路的電 阻與漏感移入整流電路後的直流電路，與斬波電路的電阻與電感合併，合併後的等效電阻 為R，等效電感為L，這樣處理後，整流直流電壓Ur就是轉子電勢的理想整流電壓，該 值為
Ur=kXSXUrO ， 式中，k——整流係數。
整流電壓Ur就是斬波器輸入電壓，整流電流(即斬波輸入電流)為Ic，在轉子整流 電路與升壓斬波器電路中，假定整流電流連續(在50%調速範圍內， 一般總是連續的)， 斬波管(IGBT或IGCT)導通時有方程式
formula see original document page 9，
在斬波管(IGBT或IGCT)關斷時有方程式
採用狀態空間平均模型法，按斬波管導通與關斷所佔時間比例對上面兩方程式加權，得到
在一個周期內的方程式
formula see original document page 9
在電動機調速過程中，轉速變化相對是較慢的，因此，Ur變化較慢，在討論斬波電流 時可以認為是不變的；Uc是直流逆變電壓，受轉差能量回饋SGH電路控制是恆定不變的。 在方程中，自變量是斬波器佔空比D，在佔空比D有一個增量時，斬波電流就產生一個 增量。根據增量方程式，並略去增量符號後可以得出斬波電流Ic為輸出、佔空比為輸入的
傳遞函數為
這就是電流環中的大慣量環節。可見這個環節是線性的。由於採用數字量控制，數字採樣 周期產生一個時間滯後，該滯後等同於一個小慣量環節。所以，電流環的調節對象是一個大慣量環節與一個小慣量環節。參見附圖4，電流調節器ACR應採用典型的PI調節器。 調節器ACR輸出直接控制轉差率控制SKT電路中的斬波器CH佔空比，控制轉子電流， 因此，控制電動機電磁轉矩，也即控制轉子的轉差率，使電動機轉子穩態時運轉在某一轉 差率下，轉速給定變化時，控制轉子轉差率向給定轉速加速，最後穩定在設定速度上。
現在，闡明具有斬波器環節的轉子整流電路換相重疊現象可以忽略的原因。整流電流 大時，換相重疊嚴重，這種工況電動機是在高速段運轉，轉差率很小，轉差頻率很低，周 期很長，轉子電勢值也較低，整流電壓Ur也較低。換相出現的時刻，存在兩種情況，一 種是出現在斬波管(IGBT或IGCT)導通時，換相後的電勢差使新導通的相電流增長，原 導通相電流下降，待到斬波管(IGBT或IGCT)關斷時，換相重疊的兩相併聯流過電流， 整流電流Ic快速下降，忽略電阻壓降，有下式 f/c 。
由於此時，整流電壓Ur較低，而直流逆變電壓Uc較高(800 1000伏)，電流下降 速率很大(若等效電感1毫亨，速率為每毫秒800 1000安)，由於換向的兩相存在電勢 差，原導通相下降更快。若負荷不重，可能一個斬波周期換相重疊就結束了。若負荷較重， 兩個斬波周期結束。另一種情況，換相時刻出現在斬波管(IGBT或IGCT)關斷狀態，斬 波電流下降速率大，由於轉子電感電壓為負，使換相的相不能導通，等到斬波管(IGBT或 IGCT)導通時，重疊的兩相電流同時增長，以後的情況同前述情況。總之，換相重疊只佔 用1 2個周期，即0.5 1毫秒。若轉差率S=0.1，轉子頻率5赫茲，周期200毫秒。換 相重疊影響很小可以忽略。
電動機傳動系統的運動方程式為formula see original document page 10
式中J--機組的轉動慣量(kg.m2 ); -電動機的極對數；
-負載阻轉矩； -電動機電磁轉矩；
w—電動機角速度。
可見，速度環調節對象是一個積分環節。電流閉環在速度環內是一個小慣量環節。根 據附圖4，速度調節器ASR可採用典型的PI調節器。參數配置按三階系統整定。對於風 機與水泵負載，不允許電動機轉速快速變化，在速度給定通道裡，設置給定積分器GJ，將 階躍給定量轉化為緩慢的斜坡上升信號。上升或下降時間可以在30 100秒之間設定。轉差率控制SKT調速系統可以在速度電流雙環下工作(手動方式)。速度設定值可以 在觸控螢幕(本地)上手動給出，也可以在遠方DCS中控室手動給出，由本控/遠控轉換開 關轉換。通過手動/自動轉換開關，可以實現手動與自動方式地相互轉換。在自動工作方 式時，本地(觸控螢幕上)或遠方DCS設定工藝控制值，如壓力，流量等，工藝過程中檢 測相應的工藝實際值用作反饋值，本實用新型中工藝調節器AGR有兩種形式常規的PID
調節器與模糊調節器。工藝環的調節對象模型清晰時，採用PID較好；若調節對象比較復
雜，又常常伴隨著大慣量、長時間滯後，調節對象很難用數學方程式描述時，採用模糊控 制調節器較好。現場工藝情況千差萬別，用戶可以根據現場狀況選擇。
本實用新型所述的無速度傳感器中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其中，無
速度傳感器速度測量WSCS是由兩種無速度傳感器速度測量方法聯合使用組成整個系統 的無速度傳感器速度測量的。在電動機啟動過程中與全速運行期間，使用電流霍爾元件採 集電動機轉子側交流電流Ir，通過過零點檢測，轉換為正負各半周的方波，送給DSP芯 片，使用捕獲功能檢測轉子電流轉差頻率Sf，計算電動機運轉速度，該速度用於速度顯示 與速度邏輯判斷；在電動機調速工作時，使用電壓霍爾元件採集直流逆變電壓Uc與外加 斬波電感電壓^i，實時計算調速工作過程中速度值，該值用於速度環的速度反饋與速度 顯示。
根據附圖3a、 3b，本實用新型依據斬波器工作機理實現調速過程中的測速。在整流電 路與斬波電路的電壓方程中，電阻壓降佔的比例很小，可以忽略電阻壓降，將轉子工作電 路中的兩相漏感合併後移入整流後電路，同時忽略整流管壓降得到斬波管(IGBT或IGCT) 導通與關斷時的等效電路。圖中
Ur^"轉子電勢的整流值，在測速計算時，可認為是定值；
A——轉子電路兩相漏感之和；
丄2——外加斬波電感。 在斬波管導通時(IGBT或IGCT)，有方程式為formula see original document page 11
設斬波管導通時外加電感電壓formula see original document page 11在斬波管關斷時(IGBT或IGCT)
方程式為:formula see original document page 11設斬波管關斷時外加電感電壓C/。《-^"^ ，
則有^:^^—測A—，
聯解上式，得到
5_ & U。
=c U。
式中，C——常數。在一個周期內檢測斬波管導通與關斷時的斬波電感電壓，就可以計算出
轉差率S。由轉差率S可以求出電動機轉速n。這個計算要在周期中斷程序中進行。
根據附圖5，闡明本實用新型數字智能調速裝置中包含的轉差功率回饋SGH電壓電流 雙環矢量控制調節系統。圖中電源，對於內饋電動機是指反饋繞組電源；對於普通繞線電 動機，是指外饋變壓器副邊繞組電源。主電路如附圖1所示，逆變器是IGBT (或IGCT) 組成的三相橋式電路，三相橋交流進線與電源之間，安裝LCL濾波器，濾去三相橋逆變器 交流輸出電壓中含有的高頻諧波分量。逆變器的控制由DSP2實現逆變電壓外環逆變電流 內環的雙環矢量控制與調節。眾所周知，雙環矢量控制必須在以電源頻率旋轉的旋轉坐標 系平面內進行。在靜止坐標系中的交流量必須經過矢量變換轉換為旋轉坐標系中的 直流量。直流量經過電壓電流雙環調節，之後輸出的直流量還必須返回到靜止坐標系中， 產生逆變橋的PWM控制脈衝。
在旋轉坐標系(Ag)平面內，逆變橋主電路的電壓方程式為(設逆變電流方向為正) ^=^+(LS + i )/d-'
式中——三相橋輸出電壓的d軸與q軸電壓分量； A,&——電源電勢的d軸與q軸電勢分量； ——逆變電流的d軸與q軸電流分量。 依據對象方程式，構建出電壓外環電流內環的調節系統圖如附圖5所示。電源電壓經 隔離變壓器降壓後(三相靜止坐標系中的e。,& )送給DSP2電路板上的A/D輸入，轉 換為數字量後再進行3/2變換，產生a"兩相靜止坐標系中的電勢矢量相關參數(ea,^， 幅值E與相角P)。同時，也可以根據相電壓e。過零檢測與鎖相處理，使相角S值更為 準確。然後，再將兩相靜止坐標系中的分量進行旋轉變換，得到以電源頻率旋轉的 坐標系中的&， 分量。三相橋逆變器輸出電流(三相靜止坐標系中的/。,/￡)，用電流霍 爾元件採集後送給DSP2電路板上的A/D輸入，轉換為數字量後，再求出B相電流z;，將/。，K進行3/2變換，得到兩相靜止坐標系中的分量，再進行旋轉變換，得到 電源頻率旋轉坐標系中的分量。直流逆變電壓Uc本身就是直流量，由電壓霍爾元 件檢測後送給DSP2電路板上的A/D輸入，轉換為數字量，形成電壓反饋量。電壓給定 值依據內饋電動機反饋繞組電壓值(對於普通繞線電動機，依據外饋變壓器副邊繞組電壓 值)與無功功率補償要求決定。電壓調節器輸出是有功電流/rf給定；無功電流給定~有 兩種給定方式固定方式與計算給定方式。固定方式給定值可以由使用人員在DSP2人機 界面上設定，但無功電流的補償量必須在電動機內饋繞組額定電流(對於普通電動機，外 饋變壓器副邊繞組額定電流)的允許容量範圍內。計算方式由DSP2程序計算實現，設反 饋繞組額定電流為；，則可以給出的無功補償電流為、=7^",這種方式可以最大限 度的使用反饋繞組的容量。有功電流調節器與無功電流調節器實現有功電流與無功電流的 調節。有功電流zrf與wZ的乘積及無功電流~與的乘積分別送到無功電流調節 器輸出與有功電流調節器輸出，與其合成，是為實現d軸與q軸電壓方程之間的解耦。 有功電流調節器輸出與解耦分量合成後再與d軸電勢分量~合成，形成d軸上的控制電 壓分量Vd;無功電流調節器輸出與解耦分量合成後再與q軸電勢分量 合成，形成q軸 上的控制電壓分量Vq。旋轉坐標系中的控制分量Vd， Vq還必須再返回到兩相靜止坐標 系(逆向旋轉變換)，變換出兩相靜止坐標系的控制分量K， ^。依據控制分量Fa， ^， 產生出逆變橋六隻IGBT (或IGCT)的控制PWM脈衝。
本實用新型數字智能調速裝置中具有的電網快切功能與短時停電再啟動功能是這樣實 現的當DSP2檢測到電網突然丟失時，立即封鎖逆變橋中各器件，阻止逆變電流流通， 同時，封鎖升壓斬波器，整個調速系統處於封鎖狀態，等待來電。這時供電系統實施上端 高壓開關快速切換，切換完成，重新恢復供電，DSP2檢測到電網有電，立即恢復系統。如 果停電時間過長，電動機速度下降較多，有可能下降到最低速以下(調速範圍以外))，為 防止這種情況，調速系統自動轉入啟動狀態，來電後，通過軟啟動升速，到設定速度時自 動轉入調速運轉。這樣，最大限度地減小了突發停電帶來的影響。
本實用新型適用於中壓內饋繞線異步電動機與中壓普通繞線異步電動機。
實施例1:
根據附圖1，本實用新型用於內饋繞線異步電動機的具體應用實例。圖中M是內饋繞 線異步電動機，定子繞組通過高壓開關櫃由6千伏或10千伏電網供電，轉子繞組連接到 軟啟動設備RQD，電動機容量在1000KW以下的，多採用頻敏變阻器啟動，大容量電動 機採用水電阻啟動。電動機啟動由PLC控制，若軟啟動電路部分無故障與報警時，在觸摸 屏上給出允許啟動信號，若有故障與報警，給出禁止合閘信號；若轉差率控制調速SKT部分與轉差功率回饋SGH部分無故障與報警，在觸控螢幕上給出允許進調速信號，若有故障 與報警，給出禁止進調速信號；啟動有兩種方式可選擇直接進調速與直接進全速。如果 不允許進調速，即使選擇直接進調速，PLC也會確保直接進全速。啟動與全速運行時，電 動機速度測量是依據轉子電流的頻率測量計算的。為此，採用電流霍爾元件採集轉子電流 Ir， DSP1依據過零點檢測，計算轉差頻率與速度，計算值用於速度判別與顯示。在調速運 行時，轉子整流橋ZR經交流接觸器與轉子繞組接通，轉子整流橋ZR與升壓斬波器CH 構成轉差率控制調速SKT主電路，數位訊號處理器DSP1與電壓電流檢測電路構成轉差 率控制與調節電路。用電流霍爾元件檢測斬波電流Ic，送DSP1用於斬波電流環的電流反 饋；用電壓霍爾元件在每個斬波周期中周期計數器上溢中斷與周期計數器下溢中斷時檢測 直流逆變電容器電壓Uc與外加斬波電感電壓U,，計算電動機的即時速度，用於速度閉 環的速度反饋；DSP1通過軟體構建斬波電流環，速度環與工藝環，實施調節過程。以速度 電流雙環調節為例，說明一下調節的過程。假定電動機在某一穩定狀態下運轉，如果速度 給定上升一個增量，由於電動機速度還未變化，在速度調節器輸入端，就存在一個速度誤 差，在速度調節器輸出產生一個斬波電流給定增量，電動機電流還未增長，電流調節器輸 入端就存在一個電流誤差，電流調節器立即產生一個斬波器佔空比增量，該增量作用於整 流斬波主電路，驅使斬波器電流產生一個增量，因此轉子轉矩產生一個增量，該轉矩增量 破壞了原來的轉矩平衡狀態，電動機開始升速，當電動機速度升到接近給定速度時，速度 誤差趨於零，電流誤差也趨於零，電動機就在新的給定值下穩定運轉。反之亦然。調速運 行中，轉子轉差功率通過斬波器源源不斷地送到直流逆變電容器裡轉換為電能，再由轉差 功率回饋電路將電容器中的電能送到電網。轉差功率回饋電路由逆變器INV，濾波器LCL， 數位訊號處理器DSP2與電壓電流採集電路組成。逆變器INV由六隻IGBT (或IGCT) 接成三相橋電路；濾波器LCL由濾波電感與電容接成T形濾波電路；電動機反饋繞組電 壓通過降壓變壓器T1將副邊電壓(ea,eA,4)送到DSP2,供DSP2計算電源電勢矢量E; 用電流霍爾元件檢測反饋繞組相電流(/。A)送到DSP2，供DSP2計算電源電流矢量I; 用電壓霍爾元件檢測直流逆變電壓Uc，供DSP2計算電壓環的電壓反饋值；DSP2軟體構 建電壓外環，有功電流無功電流內環的雙環調節系統，調節器輸出經逆變換得到兩相靜止 坐標系中的電壓量，再由PWM生成軟體，產生出六隻IGBT (或IGCT)管的柵控脈衝， 控制三相橋電路，將有功功率送回反饋繞組；同時，隨著轉速下降，增大無功功率設定(在 反饋繞組容量允許範圍以內)，提高電動機系統的整體功率因數。
在系統工作的全部過程中，PLC—直在不斷地檢測著啟動設備，DSP1， DSP2的狀態， 控制系統各部分按規定程序運轉。並不斷檢測各部分的報警與故障， 一旦出現故障，及時通過啟動設備將調速運轉中的電動機轉全速，同時在人機界面上顯示出故障類別；若出現 報警，只在人機界面上顯示出報警類別，並通知DCS中控室，提醒維修人員採取相應措 施。
實施例2:
根據附圖2，本實用新型用於普通繞線異步電動機的具體應用實例。圖中M是普通繞 線異步電動機，沒有反饋繞組。轉子轉差功率要通過外饋變壓器WT將轉差功率回饋到電
網，所以，外饋變壓器的原邊繞組接到電動機定子繞組所接的高壓開關櫃的下端，外饋變
壓器副邊繞組接到轉差功率回饋電路SGH的濾波器LCL出線端。其他與實施例1相同。
權利要求1.一種無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，包括電動機軟啟動設備、轉差率控制調速部分、轉差功率回饋部分與可編程控制器，其特徵在於所述的轉差率控制調速部分包括轉子整流器、斬波器與數位訊號處理器(DSP1)，實施無速度傳感器速度測量、電動機速度外環電流內環雙環控制與負載工藝外環控制，同時將交流轉差功率轉換為直流電功率，送入電容器存儲；所述的轉差功率回饋部分包括逆變器、濾波器與數位訊號處理器(DSP2)，實施回饋電路的電壓外環電流內環雙環矢量控制，將轉差功率回饋電網；可編程控制器實施整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理；整體調速系統為兩級控制模式。
2. 根據權利要求1所述的無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特徵在於所述的無速度傳感器速度測量，包括數位訊號處理器(DSP1)軟體、硬體與電流電壓採集系統，其中，使用電流霍爾元件採集轉子側交流電流，在電動機啟動過程與全速運轉中檢測轉子電流轉差頻率，計算速度用於啟動與全速運轉中速度監測與顯示； 使用電壓霍爾元件採集直流逆變電壓與外加斬波電感電壓，計算調速過程中速度值，用 於調速中的速度反饋，兩種方式結合，構成全過程的速度測量。
3. 根據權利要求1所述的無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 徵在於所述的電動機速度外環電流內環雙環控制與負載工藝外環控制，包括數位訊號 處理器(DSP1)軟體、硬體與使用電流霍爾元件採集斬波電流，構建電流內環，使用電 壓霍爾元件採集直流逆變電壓與外加斬波電感電壓計算產生的速度用於速度反饋，組成 速度電流雙閉環；在有工藝閉環要求時，數位訊號處理器(DSP1)採集工藝量的反饋， 實施工藝環、速度環、電流環控制；工藝環調節器在常規PID調節器與智能模糊控制器 中選擇一種使用。
4. 根據權利要求1所述的無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 徵在於所述的轉差功率回饋部分電壓外環電流內環雙環矢量控制包括數位訊號處理器(DSP2)軟體、硬體及電壓電流採集系統，其中使用隔離降壓變壓器採集電源電壓，用 於計算電源電壓矢量；使用電流霍爾元件採集逆變器交流側電流，用於計算電流矢量， 數位訊號處理器(DSP2)軟體實施電壓電流矢量計算，及電壓外環電流內環雙環矢量控 制，輸出脈寬調製控制脈衝，控制回饋的有功功率與無功功率。
5. 根據權利要求1所述的無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，其特 徵在於所述的可編程控制器實施整體調速系統的程序控制，軟體包括故障綜合與處理、 電動機啟動、全速運轉、調速運轉及各種狀態轉換的操作。
專利摘要本實用新型為一種無速度傳感器的中壓電動機轉差率控制數字智能調速裝置，包括電動機軟啟動設備、轉差率控制調速、轉差功率回饋和可編程控制器，其特徵在於所述的轉差率控制調速包括轉子整流器、斬波器和數位訊號處理器DSP1，實施無速度傳感器速度測量、電機速度電流雙環控制與負載工藝外環控制；所述的轉差功率回饋包括逆變器、濾波器和數位訊號處理器DSP2，實施回饋電路電壓外環電流內環雙環矢量控制；可編程控制器實施整體調速系統的程序控制、故障綜合與處理。整體調速系統為兩級管理模式。本實用新型特點是裝置容量小於電動機容量，用低壓器件控制中壓電動機，具有電路簡單、功能完善、操作方便等優點。
文檔編號G05B19/05GK201146481SQ20082006042
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月18日 優先權日2008年1月18日
發明者張振武 申請人:上海普電節能科技有限公司