对智能型组合式变频器技术探讨

一、技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，集成物联网、自动化等技术，尤其涉及一种适用于控制相对集中场合的组合式变频器。

二、背景技术

传统的变频器在这种场合下应用时暴露出诸多问题。一方面，多个变频器独立运行，各自配备电源整流部分，导致设备成本增加、空间占用大且能源转换效率低。另一方面，缺乏对储能装置的有效整合，无法应对突发的电力波动或实现能源的优化利用。同时，在逆变部分的选择上不够灵活，难以精准匹配不同控制电机的多样化需求，从而影响整个系统的运行稳定性和控制精度。随着工业生产规模的不断扩大和对能源管理要求的日益提高，迫切需要一种能够在控制相对集中场合高效运行的组合式变频器。同时，传统变频器缺乏有效的远程监控和智能化控制手段，运维人员需亲临现场进行参数调整和故障排查，这不仅耗费大量时间和人力成本，还可能因故障处理不及时而影响生产进度。

三、发明内容

1. 发明目的

本发明旨在提供一种适用于控制相对集中场合的组合式变频器，通过结构优化和功能整合，实现资源共享、灵活配置与高效运行，解决传统变频器在该类场合应用时存在的成本高、效率低、灵活性差等问题，同时集成物联网、自动化的组合式变频器，以解决传统变频器在灵活性、智能化和远程监控等方面的不足，实现设备的高效、智能运行以及便捷的远程管理。

2. 技术方案

共用电源整流部分：组合式变频器设计了一个集中的电源整流模块，该模块能够将输入的交流电高效整流为直流电，为后续的电路提供稳定的直流电源。通过这种共用设计，避免了多个变频器各自配备整流装置所带来的成本增加和空间浪费问题，同时提高了整体的能源转换效率。例如，在一个拥有多个电机需要变频控制的大型工厂车间，采用本发明的组合式变频器共用电源整流部分，相较于每个电机单独配备变频器的整流装置，可大幅降低设备采购成本和安装空间。

直流母线与储能装置的连接：在直流母线上设置了专门的接口，可接入各类储能装置，如超级电容器或蓄电池组等。当电网电力供应稳定时，储能装置可以储存多余的电能；而当电网出现波动或短暂停电时，储能装置能够迅速释放电能，维持变频器和电机的正常运行，确保生产过程不受影响。高层建筑的电梯在频繁启停过程中会产生能量回馈，通过本发明的直流母线与储能装置连接设计，可将这些回馈能量储存起来并在需要时重新利用，有效降低了电梯系统的能耗。

可据需求选择的逆变模块部分：逆变部分根据控制电机的不同需求进行灵活选用。针对不同功率、不同类型（如异步电机、同步电机）的电机，提供多种规格的逆变模块。每个逆变模块都具备独立的控制功能，能够精确调节输出的交流电频率和电压，以满足电机的运行要求。例如，在一个既有大功率工业电机又有小功率辅助电机的生产线上，可根据电机的实际需求，为大功率电机配置高功率等级的逆变模块，为小功率电机配置低功率等级的逆变模块，实现精准控制和资源的合理利用。

物联网集成（可选）：该变频器具备网络通信功能，支持多种通信协议，如 PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP/IP 等，可通过物联网技术接入工业互联网平台，实现与上位机和其他设备的无缝连接。同时，变频器能够将运行数据实时上传到云平台，包括转速、运行状态、压力、输入输出电压电流、累计运行时间、控制器温度等。

自动化功能集成（可选）：变频器内部集成了简易型 PLC 或者具有强大的逻辑运算能力，能够实现简单的顺序控制、逻辑判断等功能。例如，可根据预设条件自动调整电机的运行频率和电压，实现电机的软启动、软停止等功能。

3. 有益效果

成本降低：共用电源整流部分减少了硬件设备的重复投入，降低了设备采购成本。同时，由于系统的高效运行和能源的合理利用，降低了能耗成本。

稳定性提高：直流母线与储能装置的连接增强了系统对电网波动的适应能力，有效避免了因电力问题导致的生产中断，提高了整个控制系统的稳定性。

灵活性增强：可选用的逆变部分能够根据不同电机的需求进行精准配置，提高了电机的控制精度和运行效率，使组合式变频器能够适应多种复杂的工业应用场景。

功能结构的组成

各组成部分可以标准模块设计，据使用要求选用数量接入，整机可以按功率配备做成系列。每一个部分也可以做成组合式，比如电源部分，可以分为几组整流单元，据负载需要选用接入的数量；储能部分也是一样据使用的需要选择接入模块的数量；在实际的使用中还可进行调整。

总体分为以下几个组成部分：

一、基本结构柜架：分四个单元，分别用于安装对应的模块单元；

二、电源整流部分：由标准电源整流单元模块组成，可据实际需要选用具体数量；

三、相流母线及储能接入部分：由传统母线功能及储能单元接口组成，可据需要接入适合数量的储能单元（如超级电容等）；

四、逆变部分：将不同功率的逆变单元做成标准的模块，据所控电机的大小进行选用安装；

五、控制部分：完成各类信号的处理与协调各单元的动作，包括人机交互与远程传输。

四、具体实施方式

1. 实施场景一：大型工厂生产线

在某大型汽车制造工厂的生产线上，存在大量不同功率和类型的电机，用于控制机械手臂、装配设备等。采用组合式变频器，首先安装一个集中的电源整流模块，为整个生产线的变频控制提供直流电源。在直流母线上接入一组超级电容器作为储能装置，以应对生产线中频繁启停设备产生的电力波动。对于不同的电机，根据其功率和控制要求，选用合适的逆变模块。组合式变频器系统不仅降低了设备采购成本和能耗，还提高了生产线的运行稳定性和生产效率，减少了因设备故障导致的停机时间。

2. 实施场景二：智能建筑暖通系统

暖通系统包含多个不同规格的风机和水泵电机，需要进行集中控制和变频调节以实现节能和舒适的环境控制。应用组合式变频器，将所有电机的变频控制整合到一个系统中。共用的电源整流模块为整个暖通系统的变频器提供稳定直流电源。直流母线连接的蓄电池组在电网停电时能够保证风机和水泵继续运行一段时间，维持室内的空气流通和温度调节。针对不同的风机和水泵电机，根据其工作特性和负载需求，选用适配的逆变模块。选用具有高过载能力的逆变模块；对于小型的循环水泵电机，选用具备精确调速功能的逆变模块。组合式变频器使暖通系统的能源利用效率大幅提高，同时降低了设备维护成本，提升了建筑的智能化管理水平。

3. 实施场景三：港口门机

港口门机通常配备多个大功率电机，用于实现起升、变幅、行走等动作，且作业环境复杂，对电力供应的稳定性和变频器的可靠性要求极高，控制相对集中。组合式变频器在港口门机上的应用，通过共用电源整流部分，减少了多台变频器分别配置整流装置的繁琐与成本，同时提高了整体的电力转换效率。在直流母线上接入大容量的超级电容器组，能够有效应对门机在快速起升和制动过程中产生的巨大电力波动，同时回收反馈能量。对于起升电机这种大功率、高扭矩需求的电机、高动态响应的逆变模块、快速地起升和下降；而对于回转和变幅电机，根据其运行特点和功率需求，选用适配的逆变模块，实现精准的速度和位置控制。采用组合式变频器后，港口门机的能耗得到降低，设备故障率大幅下降，装卸效率明显提升，为港口运营带来了可观的经济效益和作业稳定性提升。

组合式变频器在控制相对集中的场合具有显著的优势和广泛的应用前景，能够有效解决现有技术存在的问题，为工业生产和智能建筑等领域带来更高的经济效益和社会效益。

作者简介：徐光顺 、 1976 年 4 月出生，安徽池州人， 男 ， 汉族，电气主管工程师兼技术部部长助理，成人专科，初级职称（取得了二级技师技能等级），研究方向：电气。