專利名稱：高壓變頻器及其風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用變頻調(diào)速控制的高壓變頻器及其風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)大多數(shù)是靠閥門來(lái)調(diào)節(jié)出水流量或壓力，擋板這種調(diào)節(jié)方式是以增加管網(wǎng)損耗，耗費(fèi)大量能源為代價(jià)的，因此，不可避免的造成電能的浪費(fèi)。而且由于設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)是按最大的負(fù)載來(lái)設(shè)計(jì)的，在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，絕大部分時(shí)間系統(tǒng)是不可能運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以就存在較大的節(jié)能潛力。采用變頻調(diào)速控制裝置，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需求，而且運(yùn)行能耗最省，綜合效益最高。所以變頻調(diào)速是高效的最佳調(diào)速方案，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可以方便的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。一般變頻器只是變頻調(diào)節(jié)執(zhí)行器，應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵等負(fù)載需要另外加控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)需外加控制系統(tǒng)，只需要接入溫度或壓力傳感器，做簡(jiǎn)單設(shè)置，就能實(shí)現(xiàn)智能溫度控制或壓力控制的高壓變頻器及其應(yīng)用系統(tǒng)。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高壓變頻器，包括依次連接的電源輸入端、隔離變壓器、多個(gè)功率單元，以及用于控制所述多個(gè)功率單元向電動(dòng)機(jī)提供電壓的控制單元和用于向所述控制單元提供管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感單元。優(yōu)選地，所述控制單元將傳感單元提供的管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)所述多個(gè)功率單元，以向電動(dòng)機(jī)提供相應(yīng)的電壓。優(yōu)選地，所述控制單元包括PID控制器，所述PID控制器包括比例單元P、積分單元I和微分單元D ；PID控制器把收集到的所述管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值；所述PID控制器能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值。優(yōu)選地，當(dāng)PID控制器運(yùn)行在低頻時(shí)間超過(guò)設(shè)定的節(jié)能時(shí)間后，變頻器進(jìn)入自動(dòng)休眠狀態(tài)；當(dāng)壓力或溫度測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)，變頻器啟動(dòng)喚醒模式，自己進(jìn)入調(diào)節(jié)功能。
優(yōu)選地，所述傳感單元測(cè)量的數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)溫度和壓力。優(yōu)選地，若所述傳感單元測(cè)量的數(shù)據(jù)大于報(bào)警上限或小于報(bào)警下限時(shí)，則傳感單元進(jìn)行報(bào)警。優(yōu)選地，所述功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，通過(guò)所述電源輸入端輸入三相交流電源，每個(gè)功率單元分別由隔離變壓器的一組副邊供電，每相由9個(gè)功率單元串聯(lián)而成。
優(yōu)選地，所述功率單元之間及隔離變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法。本發(fā)明還提供一種具有上述高壓變頻器的風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)，還包括電機(jī)參數(shù)設(shè)置單元，用于設(shè)置電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)；變送器設(shè)置單元，用于設(shè)置變送器的相關(guān)參數(shù)；節(jié)能設(shè)置單元，用于設(shè)置節(jié)能相關(guān)參數(shù)；應(yīng)用宏設(shè)置單元，用于設(shè)定應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備。(三)有益效果本發(fā)明高壓變頻器采用變頻調(diào)速控制，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需求，而且運(yùn)行能耗最省，綜合效益最高，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可以方便的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。本發(fā)明風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)需外加控制系統(tǒng)，只需要接入溫度或壓力傳感器，做簡(jiǎn)單設(shè)置，就能實(shí)現(xiàn)智能溫度控制或壓力控制，通過(guò)本系統(tǒng)可以快速將變頻器應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。


圖1是本發(fā)明高壓變頻器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明高壓變頻器一實(shí)施例的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明高壓變頻器一實(shí)施例中變頻器輸入電壓及電流示意圖；圖4是本發(fā)明高壓變頻器一實(shí)施例中電動(dòng)機(jī)輸入線電壓及電流示意圖；圖5是本發(fā)明應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例的進(jìn)入界面圖；圖6是本發(fā)明應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例的電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面圖；圖7是本發(fā)明應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例的變送器設(shè)置界面圖；圖8是本發(fā)明應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例的節(jié)能設(shè)置界面圖；圖9是本發(fā)明應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例的應(yīng)用宏設(shè)置界面圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明所述的高壓變頻器，包括依次連接的電源輸入端10、隔離變壓器20、多個(gè)功率單元30，以及用于控制所述多個(gè)功率單元30向電動(dòng)機(jī)提供電壓的控制單元40和用于向所述控制單元40提供管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感單元50。傳感單元50為溫度或壓力傳感器，采集管網(wǎng)的溫度或壓力值，傳遞給控制單元 40，傳遞的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)0-20mA、4-20mA、0-10V ；然后控制單元40根據(jù)溫度或壓力值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)功率單元30，以向電動(dòng)機(jī)提供相應(yīng)的電壓。調(diào)節(jié)方式采用PID方式。所述控制單元包括PID控制器(比例-積分-微分控制器)，包括比例單元P、積分單元I和微分單元D。通過(guò)Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。PID控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過(guò)程反復(fù)的情況下，一個(gè)PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。如圖2所示，為本發(fā)明高壓變頻器一實(shí)施例的示意圖，通過(guò)電源輸入端輸入三相交流電源，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。輸出電壓等級(jí)10KV，每相由9個(gè)額定電壓為750V的功率單元串聯(lián)而成，線電壓達(dá)10KV，每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.95以上。如圖3和圖4所示，分別為變頻器輸入電壓及電流示意圖和電動(dòng)機(jī)輸入線電壓及電流示意圖，電平數(shù)的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機(jī)，不需要輸出濾波器。與采用高壓器件直接串聯(lián)的變頻器相比，由于不是采用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個(gè)功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。如圖5 圖9所示，本發(fā)明所述具有上述述高壓變頻器的風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)，還包括電機(jī)參數(shù)設(shè)置單元，用于設(shè)置電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)；變送器設(shè)置單元，用于設(shè)置變送器的相關(guān)參數(shù)；節(jié)能設(shè)置單元，用于設(shè)置節(jié)能相關(guān)參數(shù)；應(yīng)用宏設(shè)置單元，用于設(shè)定應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備。本發(fā)明風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)一實(shí)施例使用過(guò)程如下(1)首先進(jìn)入系統(tǒng)；(2)設(shè)定電機(jī)的相關(guān)參數(shù)；(3)設(shè)定變送器(壓力變送器、流量變送器、溫度變送器)的相關(guān)參數(shù)，具備報(bào)警功能。傳感器是能夠受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。(4)節(jié)能功能當(dāng)PID運(yùn)行在低頻時(shí)間超過(guò)設(shè)定節(jié)能時(shí)間后，變頻器進(jìn)入自動(dòng)休眠狀態(tài)(OHZ)。當(dāng)壓力或溫度測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)，變頻器啟動(dòng)喚醒模式，自己進(jìn)入調(diào)節(jié)功能。(5)應(yīng)用宏功能宏功能是某一功能的集合。計(jì)算機(jī)科學(xué)里的宏是一種抽象的根據(jù)一系列預(yù)定義的規(guī)則替換一定的文本模式。
設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)使用行業(yè)，如鋼鐵廠、水泥廠、自來(lái)水廠、煤礦等。設(shè)置設(shè)備包括出鐵口除塵風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、煤磨風(fēng)機(jī)、礦槽除塵風(fēng)機(jī)、水泥磨風(fēng)機(jī)、自來(lái)水廠水泵等。本實(shí)施例中高壓變頻器及其風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)基本性能如下眷變頻器為高-高結(jié)構(gòu)IOKV高壓直接輸入，IOKV直接輸出，沒(méi)有輸出升壓變壓器， 輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式； 系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓380VAC控制電源和控制信號(hào)線即可，整套系統(tǒng)在出廠前進(jìn)行整體負(fù)載測(cè)試并隨機(jī)提供整體測(cè)試報(bào)告(包括變壓器在內(nèi))；· 54脈沖二極管整流輸入符合并優(yōu)于IEEE519 1992及GB/T14549 93標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓失真和電流失真最嚴(yán)格的要求，變頻器輸入諧波電流小于2% ； 在30 100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過(guò)0. 95的功率因數(shù)(無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置)無(wú)需濾波器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可以使用普通IOKV異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用，具有軟起動(dòng)功能，沒(méi)有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行； 變頻器輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0. 1 %。變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能； 對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度無(wú)任何要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響； 變頻器內(nèi)部具有可編程邏輯控制功能，可以方便實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)的接口及通訊； 在輸入4 20mA給定信號(hào)丟失時(shí)，變頻器能保持原運(yùn)行工況不變，一旦給定信號(hào)恢復(fù)有效時(shí)，變頻器可以自動(dòng)跟蹤給定信號(hào)運(yùn)行； 變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒(méi)有高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試； 控制采用速度閉環(huán)矢量控制，控制精度高； 變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在士 10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，在30%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運(yùn)行而不跳閘(降載運(yùn)行)，40%的電壓下降可以短時(shí)運(yùn)行，電網(wǎng)瞬時(shí)失電5個(gè)周期可滿載運(yùn)行不跳閘，輕載時(shí)時(shí)間更長(zhǎng)； 滿負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)效率高于96. 5% (含輸入變壓器、變頻器)；· PC機(jī)界面為中文界面，操作簡(jiǎn)單直觀； 控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)控制，有自診斷功能；·電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化； 變頻器具有自動(dòng)故障記錄，故障分析功能； 變頻器功率單元和主控系統(tǒng)通訊采用光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好； 控制系統(tǒng)具有在線檢測(cè)變頻器輸入電壓、電流、輸入有功功率、無(wú)功功率、輸入功率因素、累計(jì)用電量、輸出電壓、電流、功率、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等；眷用戶可調(diào)的數(shù)字表，可顯示速度，電流，電壓，功率，用電度數(shù)等。本實(shí)施例中高壓變頻器及其風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)數(shù)據(jù)如下
權(quán)利要求
1.一種高壓變頻器，其特征在于，包括依次連接的電源輸入端(10)、隔離變壓器 (20)、多個(gè)功率單元(30)，以及用于控制所述多個(gè)功率單元(30)向電動(dòng)機(jī)提供電壓的控制單元GO)和用于向所述控制單元GO)提供管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感單元(50)。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓變頻器，其特征在于，所述控制單元GO)將傳感單元 (50)提供的管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)定的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)所述多個(gè)功率單元 (30)，以向電動(dòng)機(jī)提供相應(yīng)的電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓變頻器，其特征在于，所述控制單元包括PID控制器，所述 PID控制器包括比例單元P、積分單元I和微分單元D ;PID控制器把收集到的所述管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值；所述PID控制器能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值。
4.如權(quán)利要求3所述的高壓變頻器，其特征在于，當(dāng)PID控制器運(yùn)行在低頻時(shí)間超過(guò)設(shè)定的節(jié)能時(shí)間后，變頻器進(jìn)入自動(dòng)休眠狀態(tài)；當(dāng)壓力或溫度測(cè)量值小于設(shè)定值時(shí)，變頻器啟動(dòng)喚醒模式，自己進(jìn)入調(diào)節(jié)功能。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓變頻器，其特征在于，所述傳感單元(50)測(cè)量的數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)溫度和壓力。
6.如權(quán)利要求1所述的高壓變頻器，其特征在于，若所述傳感單元(50)測(cè)量的數(shù)據(jù)大于報(bào)警上限或小于報(bào)警下限時(shí)，則傳感單元(50)進(jìn)行報(bào)警。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓變頻器，其特征在于，所述功率單元(30)為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的高壓變頻器，其特征在于，通過(guò)所述電源輸入端(10)輸入三相交流電源，每個(gè)功率單元(30)分別由隔離變壓器O0)的一組副邊供電，每相由9個(gè)功率單 元(30)串聯(lián)而成。
9.如權(quán)利要求8所述的高壓變頻器，其特征在于，所述功率單元(30)之間及隔離變壓器O0) 二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法。
10.一種具有權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述高壓變頻器的風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)，其特征在于，還包括電機(jī)參數(shù)設(shè)置單元，用于設(shè)置電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)；變送器設(shè)置單元，用于設(shè)置變送器的相關(guān)參數(shù)；節(jié)能設(shè)置單元，用于設(shè)置節(jié)能相關(guān)參數(shù)；應(yīng)用宏設(shè)置單元，用于設(shè)定應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明為一種高壓變頻器及其風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)，該高壓變頻器包括依次連接的電源輸入端、隔離變壓器、多個(gè)功率單元，以及用于控制所述多個(gè)功率單元向電動(dòng)機(jī)提供電壓的控制單元和用于向所述控制單元提供管網(wǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感單元。本發(fā)明采用變頻調(diào)速控制，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量和水泵流量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需求，而且運(yùn)行能耗最省，綜合效益最高，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且可以方便的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量的控制；本發(fā)明風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)用系統(tǒng)無(wú)需外加控制系統(tǒng)，只需要接入溫度或壓力傳感器，做簡(jiǎn)單設(shè)置，就能實(shí)現(xiàn)智能溫度控制或壓力控制，通過(guò)本系統(tǒng)可以快速將變頻器應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。
文檔編號(hào)H02M5/42GK102255516SQ201110201120
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者毛險(xiǎn)峰, 馬俊 申請(qǐng)人:北京科瑞天誠(chéng)科技有限公司