专利名称：10kV数字式高压定子调压调速装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机调速装置，具体说涉及高压绕线电机的可控硅定子调压调速装置。
背景技术：
由于历史原因，我国传统工业中容量大于450-500KW以上的交流电机均由高压供 电，大多数是“单速”运行。在需要保证大启动转矩和调速例如起升场合，传统方法是利用 绕线异步电机采用转子串电阻调速，定子端接变频器变频调速和转子回路中串入可调节的 附加电势的串级调速等方法。异步电动机转子串电阻调速是通过接触器串接不同数值的电阻来获得不同的机 械特性，从而实现电力拖动的速度调节。虽然可以降低启动电流到3 5倍额定电流(直 接启动电流约5 7倍额定电流)，保证大的启动转矩，但还是对电路和机械结构有较大的 冲击，启动停止和换档时速度变化不连续，不能实现精确定位，速度与负载有关系，不能实 现速度闭环。若采用改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的变频调速，可实现大 转矩，低启动电流，精确调速节能等，但是其技术复杂，按目前通用变频调速系统的组成结 构，其变频器必须连接在电机定子侧且容量须>电机容量。我国半导体工业基础薄弱，目前 尚不具备自主开发或制造高压大容量AC-DC-AC变频器所需的自关断器件及其配套大规模 集成控制电路芯片的条件，逆变功率元器件IGBT和IGCT国外实行技术封锁，国内还无能力 制造，所以在高压大电机中若采用变频调速技术，需从国外进口高压大容量变频器，该类变 频器价格高昂，想要普及或推广使用非常困难。另外，变频器输出采用功率元件进行高速开 关，输出电流含有大量高次谐波，常规电机极易导致电机轴电流过大烧蚀电机轴承，高Dv/ Dt使得对电机的绝缘要求很高，高次谐波极易污染电网，干扰其他设备正常工作，使用常常 需安装隔离变压器、滤波器、电抗器、无功补偿等，这些都使得成本进一步提高。串级调速由于转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速 的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差 功率返回电网或转换能量加以利用，虽然该调速方法可将调速过程中的转差损耗回馈到电 网但是存在系统功率因数低、谐波影响较大、调节范围不大(70% 90%的额定转速)、动 态响应不快、一般还需要增加回馈用的升压变压器、系统故障率较高等缺点。由于目前串级 调速技术尚不成熟，还没有大范围应用。
发明内容
针对上述电机调速出现的问题，本发明的调速装置所要解决的技术问题是对工作 电压1千伏 10千伏，额定电流50 2000A范围的绕线式异步电动机进行调速，闭环调速 范围可通过参数设定，闭环范围内实现与负载无关的连续速度控制，其控制特性可以与直 流调速装置和交流变频速度闭环控制特性相媲美，闭环范围外，通过切除转子电阻加速，四象限驱动运行，可靠的电子式旋转磁场换向。解决前述三种调压技术中的价格昂贵、调压精 度低、动态响应不快、调速范围窄、机械冲击大、不节能、功率因数低、谐波影响较大等问题。所述IOKV数字式高压定子调压调速装置，包括电动机的定子控制装置、转子控制 装置、制动装置和安全装置，其特征是所述电动机的定子控制装置包括连接在电动机定 子接线端的可控硅组件、输出端与可控硅组件中的每一只可控硅触发极连接的正反向触发 器、和与正反向触发器的输入端连接的控制系统，所述可控硅组件有多组，每一组为多级正 反向可控硅串联，电动机定子的每一相接线端连接一组可控硅组件到一相供电端或并接两 组可控硅组件分别连接到两相供电端。根据电源电压的高低，采取不同数量的可控硅组件进行串联分压，降低每只可控 硅承受的实际电压，经智能系统同步改变关联的可控硅组件的相角来调节定子主回路的电 压，然后通过闭环控制实现与负载无关的0 士60%转速的连续调节。本发明还具有以下优化方案，所述转子控制装置包括串联在转子每相接线端的多 级转子电阻、投切每级转子电阻的转子接触器和转子接触器控制器，每一级转子电阻并联 有一组转子接触器，每一个转子接触器的线包串入相应的转子接触器控制器。在士60%转 速范围以外，通过开环控制切换转子电阻加速。所述电动机的定子控制装置包含电流的闭环控制装置。所述电动机的定子控制装置包含速度的闭环控制装置。所述速度的闭环控制装置使用测速发电机作为速度反馈环节。所述安全装置包括供电瞬态保护器、相位保护器、限位保护器、温度监测器。采取了定子相角控制及电动机转子切换电阻控制相结合的方案。在设定的闭环范 围内(一般是-60% +60%的额定速度)实现与负载无关的连续速度控制，此范围以外通 过切换转子电阻加速。从静止到全速运行的加速过程中，首先是闭环控制过程。当系统工作 时，首先由速度给定器送出信号，其大小决定了电机的转速大小。给定信号与编码器或测速 发电机反馈信号相减，即AU = ^-Ufi,其差值AU送至调节器，调节器的输出送至触发器， 使之输出一定相位移的脉冲，可控硅则输出一定的电压，使电机的转速与给定值相适应。如 果系统的实际转速由于某种原因(如负载变大)低于给定信号对应的数值时，测速发电机 反馈回来的电压下降，使调节器的输入和输出增大，触发器发出的脉冲前移，迫使可控硅输 出电压上升，电机转速升高，并稳定在所要求速度上，这时定子电压也就保持不变了 ；反之 亦然。本发明的基本原理IOKV数字式高压定子调压调速装置是紧凑型三相晶闸管相角控制器，可在闭环和 开环的状态下控制单个或多个绕线式异步电动机。定子调压调速装置通过两组附加的晶闸 管产生反力矩，由触发板控制晶闸管的通断，使电动机可在四象限运行，在定子相角控制的 作用下改变电动机的定子电压可达到调速的目的，但电动机使用的依然是频率50Hz交流 H1^ ο定子相角控制定子相角控制是通过改变线电压的基波振幅来实现的。给定电压按一定的斜率从 零连续增加到最大，相角及控制时间也连续地增加，使得电动机的定子电压也连续地增加， 从而速度也增加，电动机的力矩按定子电压的平方的比例增加。图1所示为定子相角控制的异步电动机的速度-转矩特性曲线。图中，Iitl是同步转速，nN是正常工作点速度，Ma是无 定子相角控制的起动转矩，Mm是电动机转矩，MA*是带定子相角控制的起动转矩，M*是电动 机瞬时特性，M/是加速力矩。转子切换电阻控制通过切换转子电阻来改变电动机的力矩。对于固定的负载，改变电阻就会得到不 同的固定速度n2、n3、η4，同样，负载改变，速度也改变。速度较低时，转子输出功率大部分 转化为热量消耗在转子外部电阻上，避免电动机在低速时过热。图2所示为转子电阻不同 时电动机的速度-转矩特性曲线。图中，A是电动机转子短接特性曲线B、C、D是电动机转 子串电阻特性曲线。图中标记含义和图1中相同。 本发明还采用了电子反向制动方式假定系统拖动恒定负载以正速度加速并稳定运行在a点，电动机处于电动状态。 如果此时有减速或反向的指令，定子调压调速装置将封锁正向晶闸管组同时触发反向晶闸 管组，改变输出电压的相序，切换到反力矩运行方式，运行于b点。电动机处于发电制动状 态，开始减速。此时，电动机的滑差值s = 2，并且定子调压调速装置输出全电压。电动机的 电流大于起动电流，因此，定子调压调速装置马上自动降低输出电压，同时让所有的转子电 阻接入从而限制了最大电流。图3所示为电子反向制动时的速度-力矩特性曲线。图中标 记含义和图1中相同。本发明可以对电压1千伏 10千伏和电流范围在50A 2000A的单个或多个绕 线式异步电动机在保证大启动转矩下进行平稳调速，具有节能，高动态特性和高精度，响应 速度快等特点，而且具有以下优点(1)安全，高动态特性，操作方便，通用，容易操作；(2)可在恶劣的环境下使用，运行平滑，减少对系统的冲击，具有很高的动态控制 性能和控制精度；(3)对于改造旧的电动机系统是非常有效的传动解决方案；用于新系统的解决方 案时，其性价比也比较有优势；升级改造十分方便，从而能对现有系统进行显著改善，改造 费用低。(4)控制功能实现了集成化，对接触器控制和外部连锁条件要求低；设计规划和 配置作业少。(5)四象限的驱动运行，定子相角控制，通过可靠的电子式旋转磁场换向。(6)装置采用直接连接的结构，降低了装配和调试的时间及次数，从而节约了投资。本发明填补了 IKV IOKV高压绕线式异步电动机调压调速系统的空白，特别适合 如矿山、深井等起升场合。
图1是定子相角控制的异步电动机的速度-转矩特性曲线，图2是转子电阻不同时电动机的速度-转矩特性曲线，图3是电子反向制动时的速度-力矩特性曲线，图4是调压调速的闭环控制原理框图，
图5是电动机调速系统的结构框图，图6是定子主回路电路示意图，图7是用开关量进行调速的典型接线图，图8是用模拟开关量进行调速的典型接线图。图中1-A1组可控硅组件，2-正反相触发器，3-A2组可控硅组件，4_B组可控硅组 件，5-电动机，6-C2组可控硅组件，7-C1组可控硅组件，8-转子控制装置，9-可控硅组件， 10-门控单元，11-电流检测器，12-电流控制器，13-测速发电机，14-电流跟随器，15-速度 控制器，16-转子接触器控制器，17-转子接触器，18-转子电阻，19-温度监测器，20-供电瞬 态保护器，21-相位保护器、22-限位保护器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明所述IOKV数字式高压定子调压调 速装置，包括电动机的定子控制装置、转子控制装置、制动装置和安全装置，如图6所示，所 述电动机的定子控制装置包括连接在电动机定子接线端的可控硅组件9、输出端与可控硅 组件9中的每一只可控硅触发极连接的正反向触发器2、和与正反向触发器2的输入端连接 的控制系统，所述可控硅组件9有多组，每一组为多级正反向可控硅串联，电动机定子的每 一相接线端连接一组可控硅组件到一相供电端或并接两组可控硅组件分别连接到两相供 电端。根据电源电压的高低，采取不同数量的可控硅组件9进行串联分压，降低每只可控硅 承受的实际电压，经智能系统同步改变关联的可控硅组件9的相角来调节定子主回路的电 压，然后通过闭环控制实现与负载无关的0 士60%转速的连续调节。如图7、8所示，所述转子控制装置8包括串联在转子每相接线端的多级转子电阻 18、投切每级转子电阻18的转子接触器17和转子接触器控制器16。在士60%转速范围以 外，通过开环控制切换转子电阻加速。如图4所示，所述电动机的定子控制装置包含电流的闭环控制装置。所述电动机的定子控制装置包含速度的闭环控制装置。所述速度的闭环控制装置使用测速发电机13作为速度反馈环节。所述安全装置包括供电瞬态保护器20、相位保护器21、限位保护器22、温度监测 器19。在系统工作前，安全电路应监测是否有相序错误，相位极度不平衡和三相供电的电 压过度降低等故障。提供电气联锁，保证在发生供电故障、相序错误、制动器反馈状态不正 常、温度过高等情况下输出报警信号并内部封锁脉冲，当故障没有排除时，复位后又出现报 警信号，电动机不能运行。整个电动机调速系统的结构框图如图5所示。装置输出开关量信号控制转子接触器17，实现控制转子电阻18的投切来配合调 速。速度给定采用主令器有级或模拟量无级给定，并用测速发电机13实现转速反馈构成闭 环调速系统。可在四象限对转速进行调节。当实际速度上升到开环控制过程的设定点时， 主令控制开始发出切换第一级转子电阻的指令，随着实际速度的不断增加，逐步切换第二、 第三、第四级转子电阻。在切换转子电阻时，装置会按预先设定的时间封锁触发脉冲，从而 降低了力矩的瞬时强度，确保机械部分、电网、电动机、装置不会受到大的冲击，同时保证了 转子接触器17触点在无负荷状态下动作，极大的延长了转子接触器17触点的寿命。由于定子由高压供电，定子主回路由12对反并联的可控硅和正反向触发器组成
6(见图6的Al、B、Cl组合或A2、B、C2组合)，可控硅相角控制用来改变加在电机上的电压， 触发器使定子电源换相，并通过逻辑控制使得触发器换相时，在无电流状态下自动切换，图 6中，可控硅相角控制和正反向触发器构成图7和图8中的门控电路。由于电机力矩与定子 电压的平方成正比，因此控制电路则通过改变串联在三相中的每相的可控硅的触发角，来 改变电机的定子电压。我们使用的触发电路板，在任何额定的恶劣条件下触发可控硅，可以 彻底解决温度漂移和误触发可控硅的问题，触发的可控硅容量也可达到3000安培。装置摒弃传统的接触器换向方式，采用内置电子式换向，保证了动态响应速度和 精度。电机的加减速有可设置的加减速斜坡，以保证电机实现平稳的速度变化，对电机和齿 轮箱的机械冲击力减至最小。另外，装置在安全方面考虑非常全面。制动器的动作由装置 给出，并且时刻监测制动器的状态，异常时会封锁，同时有故障信号给出。当装置启动时，会 预先建立启动力矩后才会给出打开制动器的信号，防止启动溜钩。停止时先电气制动，后机 械制动。速度降低到设定值时给出制动信号，但装置直到电机停止旋转后还持续一段时间 输出电流产生力矩稳住电机，保证制动器在电机停稳时几乎没有相对旋转时动作，且有充 足的时间让制动器机械动作行程到位，这样使机械磨损降至最低，延长摩擦片的寿命，还有 效防止了制动器机械行程动作没有完全到位时引起的停车溜钩现象。而传统的制动方式一 般没有上述功能，几乎完全靠制动器的机械摩擦来实现减速停车，制动器摩擦片寿命很短， 经常需要调整间隙和更换摩擦片，存在较大安全隐患。模拟量控制调速举例及开关量控制调速举例(例如起升机构和平移机构)分别见 图8和图7。(1)速度给定如图8，通过控制板的模拟输入端子实现速度的无级给定，如图7，通过控制板的 开关量输入端子实现多段速给定。(2)速度反馈采用模拟式测速发电机13或数字式编码器，直接连接到控制板相应的端子。(3)电动机温度保护可采用KTY或PTC等多种常用的电动机温度保护元件构成温度监测器19。(4)制动器控制通过装置内部的逻辑控制，检测实际速度，在电动机基本处于预设的最小速度时 关闭制动器，电机电流延时后关断，大大提高了安全性能，还减小了机械磨损。但在紧急停 车时，不检测速度实际值，立即关闭制动器。(5)速度调节器通过调节PI (比例积分)调节器的值，调整速度的响应时间及调节时间。(6)起动脉冲对于起升机构，可设定起动脉冲的大小，打开制动器之前使电动机产生向上的力 矩，负载不会下滑。(7)电机换向和转子投切电阻装置通过内部逻辑控制，在监测到测速机反馈的电动机实际速度达到设定的接触 器动作值时自动控制投切转子接触器17，使电机在不同速度时使用不同的速度-转矩特性 曲线(见图2)，保证速度和转矩。转子接触器17动作时短时间封锁触发脉冲，实现无电流时切换，延长转子接触器17触点寿命。具体如下见图6，装置内置5路可控硅组件，分别为Al路、A2路、B路、Cl路、C2路，其中Al、 B、Cl组合为使电机正向电动的可控硅组，其中A2、B、C2组合为使电机反向电动的可控硅 组，通过使用不同的可控硅组来实现电子控制正反转和制动等动作。上升方向启动和加速在待机状态下，装置发指令使Sl处于闭合状态，转子接触 器KMl闭合，转子电阻RO被短路，若给装置上升一档(一般约10%额定速度)运行命令，此 时装置使用正向电动的可控硅组即Al、B、Cl路可控硅，电机运行遵循图2中转矩-速度特 性曲线C，根据给定的速度和实际负载大小及设置的启动脉冲大小，装置控制A1、B、C1路可 控硅的导通角，电机正向旋转，同时，装置检测反馈的速度，若速度低于给定速度，在不超过 设定的最大电流前提下会加大导通角，使电机电压升高，直到速度增加到给定速度，若速度 超过给定速度，装置会使导通角减小，降低转速直到等于给定速度。转子接触器是否动作与 设置的动作时对应速度值有关，如若给定速度为60%，S2设定的对应速度值为55%，那么 当电机实际速度上升到时S2会闭合，此时电机运行参考图2中特性曲线B，可控硅导 通角根据实际反馈速度进行调节。若主令给全速命令，装置会在速度超过设定的闭环范围 时逐步增大导通角直到全电压输出，S3、S4动作与S2描述相同，即达到设定值时动作，但动 作时装置会短时间(可设置)封锁可控硅触发脉冲，实现转子接触器无电流投切，减小对机 械和电路的冲击。此时装置处于开环运行状态。上升方向减速和回零位当主令由高速上升档降档或回零时，装置会立即封锁正 向电动可控硅组，开启反向电动可控硅组A2、B、C2，进行反接制动，同时断开所有转子接触 器，使所有电阻全部接入转子回路，实现最大反接力矩输出，且由于接入转子回路的电阻最 大，保证了定子回路电流不至过大，装置会在不超过最大电流限制的前提下，控制导通角尽 可能输出高电压，使电机速度遵循设定的下降斜坡实现快速减速制动。下降方向启动和加速主令给出下降命令时，首先导通的是正向电动的可控硅组 Al、B、Cl，Si、S2、S3、S4全部断开，此时装置属于反接制动，重物处于下降状态，根据反馈 速度调节导通角实现定子电压调节，使实际速度达到给定值，当主令发出全速下降命令时， 装置会在实际速度超过设定的闭环范围时封锁正向电动可控硅组，开启反向电动可控硅组 A2、B、C2，并逐步使可控硅全导通，接触器按照设定的接触器动作值依次闭合，此时负载带 动电机超同步速度旋转，电机处于反向发电状态。下降方向降档和回零位当主令由高速下降转换到低速下降或零位或上升时，装 置立即封锁可控硅组A2、B、C2，同时开启可控硅组A1、B、C1并断开所有转子接触器，进行反 接制动，同样在保证电流不超过设定的最大电流情况下进行导通角调节输出尽可能高的电 压，由于转子回路电阻全部接入，保证相对电流最小时制动力矩最大。当速度降到主令给定 值时，按照上面描述的不同情况进行调节输出。(8)限位保护输入的限位信号通过装置内部的限位保护器22逻辑控制使电动机减速或停止。
权利要求
1.一种IOKV数字式高压定子调压调速装置，包括电动机的定子控制装置、转子控制装 置、制动装置和安全装置，其特征是所述电动机的定子控制装置包括连接在电动机定子接 线端的可控硅组件(9)、输出端与可控硅组件(9)中的每一只可控硅触发极连接的正反向 触发器(2)、和与正反向触发器(2)的输入端连接的控制系统，所述可控硅组件(9)有多组， 每一组为多级正反向可控硅串联，电动机定子的每一相接线端连接一组可控硅组件到一相 供电端或并接两组可控硅组件分别连接到两相供电端。
2.根据权利要求1所述的IOKV数字式高压定子调压调速装置，其特征是所述转子控 制装置(8)包括串联在转子每相接线端的多级转子电阻(18)、投切每级转子电阻(18)的 转子接触器(17)和转子接触器控制器(16)，每一级转子电阻(18)并联有一组转子接触器 (17)，每一个转子接触器(17)的线包串入相应的转子接触器控制器(16)。
3.根据权利要求1或2所述的IOKV数字式高压定子调压调速装置，其特征是所述电 动机的定子控制装置包含电流的闭环控制装置。
4.根据权利要求1或2所述的IOKV数字式高压定子调压调速装置，其特征是所述电 动机的定子控制装置包含速度的闭环控制装置。
5.根据权利要求4所述的IOKV数字式高压定子调压调速装置，其特征是所述速度的 闭环控制装置使用编码器或测速发电机(1 作为速度反馈环节。
6.根据权利要求1所述的IOKV数字式高压定子调压调速装置，其特征是所述安全装 置包括供电瞬态保护器(20)、相位保护器01)、限位保护器(22)、温度监测器(19)。
全文摘要
一种10kV数字式高压定子调压调速装置，包括电动机的定子控制装置、转子控制装置、制动装置和安全装置，其特征是所述电动机的定子控制装置包括连接在电动机定子接线端的可控硅组件(9)、输出端与可控硅组件(9)中的每一只可控硅触发极连接的正反向触发器(2)、正反向触发器(2)的控制系统，所述可控硅组件(9)使用多级正反向可控硅串联为一组，电动机定子的每一相接线端连接一组可控硅到一相供电端或并接两组可控硅分别连接到两相供电端。本发明可以对电压1千伏～10千伏和电流范围在50A～2000A的单个或多个绕线式异步电动机在保证大启动转矩下进行平稳调速，具有节能，高动态特性和高精度，响应速度快等特点。
文档编号H02P3/20GK102088272SQ20091025411
公开日2011年6月8日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者代文蕤, 夏文选, 封小钰, 王争耀, 王会明, 蒋贞荣, 裴云, 郭伟军 申请人:武汉理工大学