專利名稱：失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力裝置，具體地說(shuō)是一種在電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行的高壓變頻器。
背景技術(shù)：
當(dāng)在高壓電源系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題、進(jìn)行重合閘、互相投切時(shí)，由于高壓電網(wǎng)的滅弧、消磁等因素，都會(huì)出現(xiàn)0.1秒～1.5秒左右的失電間隔。風(fēng)機(jī)等負(fù)荷由于自身的飛輪動(dòng)能支持，轉(zhuǎn)速變化不大，使電機(jī)具備直接加電的條件。故在高壓系統(tǒng)瞬間失電時(shí)大容量高壓電機(jī)的高壓電開(kāi)關(guān)均保持在合閘位置，在電源恢復(fù)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然很高，電機(jī)上電時(shí)沖擊電流很小，不會(huì)造成電網(wǎng)波動(dòng)，能夠保持系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。
變頻器在瞬時(shí)失電時(shí)不能維持連續(xù)運(yùn)行，因而設(shè)置有變頻器的高壓系統(tǒng)不但會(huì)造成高壓電機(jī)出現(xiàn)瞬時(shí)失電時(shí)停止運(yùn)行，且與原工藝要求相抵觸。那么在需要一個(gè)工作區(qū)的時(shí)間內(nèi)動(dòng)力部分不能停止的大型系統(tǒng)中將無(wú)法使用變頻器。而國(guó)內(nèi)節(jié)能潛力最大的部分就包含在其中，故對(duì)老系統(tǒng)的大型電機(jī)進(jìn)行變頻改造時(shí)，將要求變頻器具有瞬時(shí)失電而能連續(xù)運(yùn)行的功能。
在目前，高壓變頻器在高壓失電時(shí)，只靠?jī)?nèi)部電容存儲(chǔ)的電量進(jìn)行維持，在失電時(shí)間超過(guò)100mS以上的時(shí)間間隔時(shí)，沒(méi)有一種方法解決高壓變頻器在高壓失電狀況下保持連續(xù)運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種在高壓供電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)失電時(shí)，利用回轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)的飛輪動(dòng)能維持持續(xù)運(yùn)行的高壓大功率變頻器。
本發(fā)明度目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器結(jié)構(gòu)，其主回路結(jié)構(gòu)由移相變壓器和功率單元構(gòu)成，高壓電源接入移相變壓器主繞組，在移相變壓器副邊有十八個(gè)相互獨(dú)立的繞組，繞組分別連接十八個(gè)功率單元；功率單元內(nèi)部元件組成為每一個(gè)單元由整流輸入二極管橋，儲(chǔ)能電容，H橋形輸出斬波IGBT連接組成，在控制供電回路中還連接有UPS，在UPS后連接多相隔離控制變壓器，多相隔離控制變壓器接入變頻器的功率單元控制回路；在主回路的高壓電源與移相變壓器主繞組之間設(shè)置有失電檢測(cè)繼電器。
本發(fā)明還可以包括以下一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的UPS是功率為1.5kW的不間斷電源。
2、所述的隔離控制變壓器為輸入220V，輸出18個(gè)獨(dú)立的600V，各輸出間完全隔離，耐壓等級(jí)為10kV的隔離控制變壓器。
3、所述的失電檢測(cè)繼電器，是普通的380V電壓檢測(cè)繼電器。
本發(fā)明是在控制供電回路中加入U(xiǎn)PS，在UPS后加入多相隔離控制變壓器。將變頻器的功率單元控制回路供電獨(dú)立出來(lái)。在主回路加入失電檢測(cè)繼電器，當(dāng)出現(xiàn)變頻器在運(yùn)行時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)處于正常狀態(tài)，而失電檢測(cè)繼電器發(fā)出信號(hào)，則確定為高壓供電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)失電。在電網(wǎng)短時(shí)失電信號(hào)到達(dá)變頻器DSP中，則啟動(dòng)相應(yīng)的控制程序，將變頻器的狀態(tài)由從電網(wǎng)吸收功率到負(fù)荷轉(zhuǎn)換為利用回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的動(dòng)能維持變頻器連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)高壓電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，DSP程序?qū)⒆冾l器從維持變頻器運(yùn)行轉(zhuǎn)換回從電網(wǎng)吸收功率到負(fù)荷的正常狀態(tài)。
本發(fā)明可以保證在用變頻器拖動(dòng)的大型回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，當(dāng)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)相互切換，瞬時(shí)重合閘，瞬時(shí)接地等故障時(shí)，在變頻器高壓電源有短時(shí)失電的狀態(tài)，仍能保持變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。能使大型系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性提高一個(gè)等級(jí)，減少由于電網(wǎng)的不穩(wěn)定而造成系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象。


圖1是變頻器主結(jié)構(gòu)圖。
圖2是變頻器單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明中當(dāng)出現(xiàn)高壓電網(wǎng)短時(shí)失電進(jìn)變頻器頻率調(diào)節(jié)流程圖。
圖4是本發(fā)明中變頻器短時(shí)失電進(jìn)的架構(gòu)程序圖。
圖5是本發(fā)明原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型作更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1，其主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括●由移相變壓器和功率單元構(gòu)成主回路。
●主回路接線方式高壓電源首先供給移相變壓器主繞組，在移相變壓器副邊有十八個(gè)相互獨(dú)立的繞組，其按延邊三角形的繞法，實(shí)現(xiàn)每個(gè)10度的移相的組別，用于分別給十八個(gè)功率單元供電，十八個(gè)根據(jù)組別組成A，B，C三組，串聯(lián)成為星形連接結(jié)構(gòu)方式輸出頻率可調(diào)的正弦波，供給高壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行與調(diào)速使用。
結(jié)合圖2，多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器中的功率單元結(jié)構(gòu)包括●功率單元內(nèi)部元件組成●每一個(gè)單元相當(dāng)于一個(gè)小功率低壓變頻器，由整流輸入二極管橋，儲(chǔ)能電容，H橋形輸出斬波IGBT組成，其原理圖為附圖2功率單元工作時(shí)狀態(tài)三相交流電源通過(guò)功率單元內(nèi)整流二極管橋進(jìn)行整流后，將其輸入電容陣列，電容陣列對(duì)脈動(dòng)的直流進(jìn)行濾波，使其變?yōu)楹愣ǖ闹绷麟?。電容陣列同時(shí)作為PWM輸出的電壓能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓與脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)電流。H橋形IGBT回路將電容陣列的直流電壓轉(zhuǎn)換為PWM波形電壓輸出。
結(jié)合圖3-圖4，本發(fā)明多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器失電連續(xù)運(yùn)行的技術(shù)要點(diǎn)●首先解決在失電時(shí)，功率單元內(nèi)主控板的電源供給。
●多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器屬于交—直—交類型的變型器，由其拓樸結(jié)構(gòu)決定其分為輸入變流，儲(chǔ)能穩(wěn)壓，變換輸入三部份結(jié)構(gòu)，在變頻器失電時(shí)，僅有儲(chǔ)能穩(wěn)壓，變換輸出結(jié)構(gòu)在運(yùn)行，故在檢測(cè)單元內(nèi)運(yùn)行各量值的要求作出相應(yīng)的設(shè)定調(diào)整。
●解決變頻在失電時(shí)，功率單元電容陣列電壓的穩(wěn)定。保持其電壓波動(dòng)在額定值75％以內(nèi)波動(dòng)。
●解決在變頻器失電時(shí)，主回路元件的能量損耗。通過(guò)嚴(yán)密的邏輯分析，精確的計(jì)算，將H橋的PWM波形輸出改變，使電機(jī)運(yùn)行于能量回饋的狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子回路中的飛輪動(dòng)能受控轉(zhuǎn)換為電容陣列的電能，補(bǔ)充主回路元件的消耗與電容陣列電壓的穩(wěn)定。
電機(jī)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子回路飛輪動(dòng)能利用的行為模型描述(1)變頻器失電后電機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的原理●異步電機(jī)運(yùn)行原理異步電機(jī)分為定子與轉(zhuǎn)子，在定子繞組加入交流電后，就在定子上形成一個(gè)環(huán)形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電磁感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電流，并形成相應(yīng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度相對(duì)不同，將決定電機(jī)是處于異步電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)還是異步再生發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。
●電機(jī)處于異步電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)當(dāng)電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度時(shí)，電機(jī)將定子繞組的電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能輸出，此時(shí)電機(jī)即處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。
●電機(jī)處于再生異步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)當(dāng)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度慢于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度時(shí)，電機(jī)將轉(zhuǎn)子內(nèi)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為定子的電能進(jìn)行輸出，此時(shí)電機(jī)即處于再生發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。
●轉(zhuǎn)子飛輪動(dòng)能的利用當(dāng)電機(jī)定子用變頻器供電時(shí)，將定子輸入頻率降低，而轉(zhuǎn)子回路由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)的飛輪動(dòng)能維持旋轉(zhuǎn)，當(dāng)變頻器輸出頻率已低于轉(zhuǎn)子的同頻轉(zhuǎn)速后，此時(shí)轉(zhuǎn)子回路的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度將大于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而電機(jī)將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為定子的電能。
(2)、變頻器失電后利用轉(zhuǎn)子飛輪動(dòng)能的流程描述●對(duì)變頻器失電時(shí)狀態(tài)確定后初步調(diào)整在變頻器的失電信號(hào)確定，立即減少變頻器對(duì)電機(jī)的PWM輸出占空比，使變頻器對(duì)電機(jī)的電流迅速降低，使電容陣列電壓不會(huì)快速下降。
●變頻器失電后，電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)在變頻器失電后，先快速調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，使其在短時(shí)間內(nèi)下降到電機(jī)現(xiàn)有轉(zhuǎn)速的同步頻率，為下一步調(diào)節(jié)作好準(zhǔn)備。
●在變頻器輸出頻率下降狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)在變頻器進(jìn)行頻率調(diào)整時(shí)，當(dāng)測(cè)定電機(jī)電流方向變化時(shí)，表明已下降到同步轉(zhuǎn)速以下，將頻率從快速下降狀態(tài)調(diào)節(jié)為PID控制狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率下降速率，將電機(jī)從異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒皆偕l(fā)電機(jī)的狀態(tài)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子在存儲(chǔ)的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br> ●變頻器失電其間，保持功率單元內(nèi)電壓的穩(wěn)定在變頻器失電其間，保持電機(jī)再生異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子中的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能維持系統(tǒng)的消耗。將電容陣列電壓作為關(guān)鍵進(jìn)程點(diǎn)，通過(guò)對(duì)變頻器輸出頻率下降的速率調(diào)節(jié)，使電容陣列電壓保持在額定狀態(tài)。其DSP程序流程如附圖3所示。
●變頻器高壓電源恢復(fù)，穩(wěn)定電機(jī)運(yùn)行在變頻器高壓電源正常信號(hào)確定后，將變頻器輸出頻率快速向上調(diào)節(jié)，當(dāng)測(cè)定電流方向變化時(shí)，穩(wěn)定頻率輸出延時(shí)，防止系振蕩。當(dāng)電機(jī)完全轉(zhuǎn)入異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)后，再將頻率升到失電前的數(shù)值。
(3)DSP程序中變頻器失電后利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的DSP程序子模塊流程圖根據(jù)變頻器失電利用飛輪動(dòng)能的描述，將其轉(zhuǎn)化為DSP程序中的子模塊，其全部架構(gòu)程序圖如附圖4所示結(jié)合圖5，多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器失電后利用飛輪動(dòng)能連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)(1)更改后的系統(tǒng)回路方案●在控制系統(tǒng)頂層供電回路中加入U(xiǎn)PS，用于在任何狀態(tài)下，保持控制電源供電穩(wěn)定。
●在頂層供電回路下，分出一組供給6KV多組隔離變壓器，用于給控制單元內(nèi)的控制板電源，在高壓失電后，控制板能繼續(xù)保持運(yùn)行。其如附圖5。
●在主回路的移相變壓器上增加電壓檢測(cè)繼電器，用于測(cè)定移相變壓器是否處于加電狀態(tài)，并將其狀態(tài)信號(hào)傳到控制單元。
(2)更改后的控制流程方案●失電后，控制系統(tǒng)接收到失電信號(hào)，立即快速下調(diào)，越過(guò)電機(jī)在異步運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率，將電機(jī)處于再生異步運(yùn)行狀態(tài)。
●將轉(zhuǎn)子中的飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能用于維持變頻器主回路的功耗，通過(guò)多電平功率單元內(nèi)的電容陣列作為儲(chǔ)能中繼池進(jìn)行電量存儲(chǔ)和維持變頻器系統(tǒng)的損耗。
●在失電的時(shí)間內(nèi)，將電容陣列處于恒壓充電狀態(tài)，用電容陣列的電壓值作為變頻器輸出頻率的閉環(huán)調(diào)節(jié)單位，使飛輪動(dòng)能的轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)損耗持平，電容陣列電壓穩(wěn)定。
●高壓電源恢復(fù)后，控制系統(tǒng)接到電源正常信號(hào)，將變頻器由下降速率調(diào)節(jié)變?yōu)樯仙俾收{(diào)節(jié)，恢復(fù)電機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換設(shè)定呈雙曲線設(shè)定，避免在電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)慣量載荷沖擊。
●將變頻器輸出頻譯按設(shè)定的速率上升，達(dá)到失電前的頻率，系統(tǒng)恢復(fù)到失電前的狀態(tài)。
(3)變頻器失電后利用飛輪動(dòng)能的方案試驗(yàn)參數(shù)●運(yùn)行頻率50Hz 電源電流0.9A●上升時(shí)間30s 下降時(shí)間300s●失電下降30s 恢復(fù)上升60s●電源電壓6100V 恢復(fù)轉(zhuǎn)換3s(4)變頻器失電后利用飛輪動(dòng)能的方案的測(cè)試數(shù)據(jù)
6、多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器高壓瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行方案定型(1)高壓瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行研發(fā)結(jié)束定型方案變頻器失電后利用飛輪動(dòng)能的方案經(jīng)過(guò)測(cè)試，達(dá)到項(xiàng)目輸入時(shí)的要求，作為高壓瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行定型方案。
(2)高壓瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行定型方案指標(biāo)如下●具有在變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，高壓電源在瞬時(shí)消失時(shí)，保持變頻器不跳閘。
●具有在變頻器高壓電源失電后，可以利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)的飛輪運(yùn)能連續(xù)保持運(yùn)行。
●具有了在大慣量，大功率，大系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景，能實(shí)現(xiàn)在大系統(tǒng)中瞬時(shí)失電后而動(dòng)力輸入系統(tǒng)不出現(xiàn)極大的振動(dòng)或崩潰。
●在轉(zhuǎn)子內(nèi)飛輪動(dòng)能支持下，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)不停機(jī)，在失電運(yùn)行的時(shí)間將取決于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的飛輪動(dòng)能存儲(chǔ)量，在一個(gè)具體系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路的質(zhì)量與轉(zhuǎn)速固定時(shí)，對(duì)失電最高維持時(shí)間具有了確定性。
●在長(zhǎng)時(shí)間失電的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速已極低時(shí)，變頻器自動(dòng)停機(jī)，并輸出報(bào)警。以防止在誤操作情況下出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的自動(dòng)運(yùn)行現(xiàn)象。
(3)利用高壓瞬時(shí)失電連續(xù)運(yùn)行方案技術(shù)制作的多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器，它包括多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器結(jié)構(gòu)，其主回路結(jié)構(gòu)由移相變壓器和功率單元構(gòu)成，高壓電源接入移相變壓器主繞組，在移相變壓器副邊有十八個(gè)相互獨(dú)立的繞組，繞組分別連接十八個(gè)功率單元；功率單元內(nèi)部元件組成為每一個(gè)單元由整流輸入二極管橋，儲(chǔ)能電容，H橋形輸出斬波IGBT連接組成，其特征是在控制供電回路中還連接有UPS，在UPS后連接多相隔離控制變壓器，多相隔離控制變壓器接入變頻器的功率單元控制回路；在主回路的高壓電源與移相變壓器主繞組之間設(shè)置有失電檢測(cè)繼電器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器，其特征是所述的UPS是功率為1.5kW的不間斷電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器，其特征是所述的隔離控制變壓器為輸入220V，輸出18個(gè)獨(dú)立的600V，各輸出間完全隔離，耐壓等級(jí)為10kV的隔離控制變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器，其特征是所述的失電檢測(cè)繼電器，是普通的380V電壓檢測(cè)繼電器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器，其特征是所述的失電檢測(cè)繼電器，是普通的380V電壓檢測(cè)繼電器。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種失電時(shí)繼續(xù)運(yùn)行的變頻器。它包括多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器結(jié)構(gòu)，其主回路結(jié)構(gòu)由移相變壓器和功率單元構(gòu)成，高壓電源接入移相變壓器主繞組，在移相變壓器副邊有十八個(gè)相互獨(dú)立的繞組，繞組分別連接十八個(gè)功率單元；在控制供電回路中還連接有UPS，在UPS后連接多相隔離控制變壓器，多相隔離控制變壓器接入變頻器的功率單元控制回路；在主回路的高壓電源與移相變壓器主繞組之間設(shè)置有失電檢測(cè)繼電器。本發(fā)明可以保證在用變頻器拖動(dòng)的大型回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，當(dāng)高壓電網(wǎng)出現(xiàn)相互切換，瞬時(shí)重合閘，瞬時(shí)接地等故障時(shí)，在變頻器高壓電源有短時(shí)失電的狀態(tài)，仍能保持變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1889350SQ20061001027
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者白德芳, 李凱, 劉宇光, 金慶才 申請(qǐng)人:哈爾濱九洲電氣股份有限公司