礦用防爆型三電平變頻調速裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種礦用防爆型三電平變頻調速裝置，采用二極管鉗位式三電平逆變單元的拓撲結構，它的實現是直流側由兩個電容串聯，每個電容的電壓為直流母線電壓的一半，每相有上、下兩個橋臂，每個橋臂由兩個開關管串聯，并通過兩個二極管鉗位到直流母線的中點。與二電平變頻器相比，該逆變單元每相可以輸出三種電平，假設直流母線電壓為Vdc，若以母線中點為參考點，則輸出電平分別定義為：+Vdc/2、0、-Vdc/2，此三種輸出狀態分別為P、O、N。它通過直流側的分壓和開關動作的不同組合，實現多電平階梯波輸出電壓，可以使波形接近正弦波，且能有效地提高換流系統的耐壓，降低諧波含量和開關損耗，更適用于大容量高電壓的場合。
【專利說明】礦用防爆型三電平變頻調速裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種礦用防爆型三電平變頻調速裝置，用于對煤礦井下風機、水泵、帶式輸送機等高壓大容量運輸系統的調速。
【背景技術】
[0002]在煤礦井下，變頻調速技術在低壓小功率范圍己得到廣泛應用，多采用兩電平逆變器，其主電路拓撲結構、控制方法與控制策略都比較成熟，市場上也有大量品牌的成熟產品可供選擇。但變頻調速技術在中高壓大功率交流傳動中遇到很多困難，主要有下面的問題:
[0003]1、煤礦井下大容量電動機的供電電壓較高，由于組成變頻器的功率器件的耐壓等級和承受電流的限制，造成匹配上的困難，同時兩電平逆變器輸出諧波含量大，高壓供電時對電機不利；
[0004]2、高壓大功率變頻調速系統技術含量高、難度大、成本高，而一般的風機、水泵等節能改造項目都要求低投入、高回報，從而造成經濟效益上的難題。
[0005]3、在煤礦井下風機、水泵、帶式輸送機應用的高壓大容量防爆型變頻裝置均采用開關器件并聯或選用高耐壓大容量的開關器件來實現，開關器件并聯經常會出現電流不均，導致局部發熱，致使開關器件損壞，且開關器件的成本較高。
[0006]4、在煤礦井下應用的高壓大容量防爆型變頻裝置的開關器件在關斷狀態下承受的壓降為直流母線電壓，在關斷過程中，di/dt的值通常會很大，因此電磁干擾問題嚴重。
【發明內容】
[0007]本實用新型提供一種礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其目的在于解決煤礦井下高壓大容量變頻器應用中存在的問題。目前，煤礦井下高壓大容量變頻器的逆變單元采用高壓大容量的IGBT或是將IGBT并聯使用，其二電平逆變單元采用PWM脈寬調制方法，電壓輸出諧波含量高、電磁干擾嚴重、開關損耗和成本較高；對于我國電壓等級情況，要驅動電壓等級大的電機，則必須采用功率器件串聯的方法才能提升輸出電壓等級。而功率器件的串聯會引起一系列的問題，如器件的動態均壓、靜態均壓和di/dt限制等問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本實用新型采用二極管鉗位式三電平逆變單元拓撲結構，直流側由兩個電容串聯，每個電容的電壓為直流母線電壓的一半，每相有上、下兩個橋臂，每個橋臂由兩個開關管串聯，并通過兩個二極管鉗位到直流母線的中點。與二電平變頻器相比，該逆變單元每相可以輸出三種電平，假設直流母線電壓為Vdc，若以母線中點為參考點，則輸出電平分別定義為:+Vdc/2、0、-Vdc/2，此三種輸出狀態分別為Ρ、0、Ν。該結構與普通的二電平結構相比，輸出電壓電平數由2個增加至3個，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓變為一半的直流母線電壓，輸出線電壓的電平數由3個增加至5個，在同等開關頻率的條件下，可使輸出波形質量有較大的改善，輸出di/dt也相應下降，降低了諧波含量，使電機的使用壽命延長。[0009]本實用新型專利的有益效果:可產生多層梯形輸出電壓，對階梯型波再作調制可以得到近似的正弦波；在此結構下IGBT關斷狀態下承受的壓降為直流母線電壓的一半，因此其在關斷的過程中，dv/dt的值通常只有相同電壓等級的二電平變頻器IGBT的一半，從而降低電磁干擾的問題；二電平PWM控制算法開關頻率高，損耗大，三電平逆變器可用較低頻率進行開關動作，損耗小，效率高；主要高次諧波遠高于開關頻率，可以大大降低系統對電網的污染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1礦用防爆型三電平變頻調速裝置組成框圖
[0011]圖2礦用防爆型三電平變頻調速裝置逆變單元拓撲圖
【具體實施方式】
[0012]圖1為礦用防爆型三電平變頻調速裝置組成框圖，該裝置由主回路和控制回路組成。主回路包括輸入電抗器1、整流單元2、平波單元3、逆變單元4、輸出電抗器6。控制回路包含主控電路8、接口電路10、鍵盤顯示7、光纖驅動板9、電流傳感器5。
[0013]電網電壓通過輸入電抗器I接到整流單元2的輸入，整流單元2的輸出與平波電容3并聯接到逆變單元4的輸入端。逆變單元4與輸出電抗器6串聯接到電機。
[0014]電網對平波單元3進行充電，平波單元3由兩個電容串聯，兩個電容的中點為三電平電壓輸出的零點電平；為了使電容兩端承受的電壓相同，兩端分別并聯一個電阻，并采用疊成母排的形式，減小線路上的電感量，以減小關斷時的電壓尖峰。根據平波單元3的容量，預充電時間設為7s，當平波單元3的電壓達到設定的直流母線電壓，充電電阻兩端的電壓尖峰達到預定值，且交流電壓峰值與母線電壓的差值非常小時，接觸器開始吸合，通過接觸器的一個常開點把信號傳送給主控電路8，則預充電完成；整流單元2把交流電整定成直流，平波單元3進行濾波，逆變單元4把直流電變成交流電；接口電路10對系統的電流、電壓、溫度信號進行檢測和采樣，傳送到主控電路進行控制，同時發出驅動信號對逆變單元4進行控制。逆變單元4每個橋臂由兩個開關管串聯，并通過兩個二極管鉗位到直流母線的中點；該逆變單元4每相可以輸出三種電平，假設直流母線電壓為Vdc，若以母線中點為參考點，則輸出電平分別定義為:+Vdc/2、0、-Vdc/2。
[0015]變頻器的主控電路8為變頻器的控制核心，實現對整臺變頻器的控制、SVPWM輸出和矢量控制。主控電路中DSP芯片的電源為+3.3V，最大的電壓不能超過+3.6V，在供電電路中引入穩壓管進行穩壓。主控電路8具備鍵盤顯示接口、外控通訊接口、主從通訊接口、控制端子、接口電路接口。鍵盤顯示接口與鍵盤顯示模塊相連接；外控通訊接口為MODBUS通訊接口，其他控制系統可采用M0DBUS-RTU通訊協議與該變頻器通訊進行數據采樣、起停控制、速度給定。接口電路接口為主控電路與接口電路相連接的接口，實現輸入交流電壓采樣、直流電壓采樣、溫度采樣、三相輸出電流采樣、故障信號采樣，并發出驅動信號，把溫度信號轉換成電信號傳送到主控電路；電流信號是通過霍爾傳感器進行檢測變比，傳到主控電路。控制端子包括開關量輸入、繼電器反饋、模擬量輸入、模擬量輸出、使能端子。開關量輸入用于其他控制系統(輸送機控制系統)對變頻器起停控制、多段速度選擇、正反轉選擇等；繼電器反饋用于其他控制系統(輸送機控制系統)對變頻器運行、故障狀態的監視；模擬量輸入用于其他控制系統(輸送機控制系統)對變頻器的速度給定；模擬量輸出用于其他控制系統(輸送機控制系統)對變頻器運行速度、電流、電壓、溫度的監視。變頻器的控制信號線需要穿過鐵氧體磁環，屏蔽電磁干擾，引線時需要與電源線分開引線。
[0016]變頻器的接口電路10作為變頻器的信號接口電路，采集輸入電壓、直流母線電壓、模塊溫度、輸出電流，并將主控電路8發出的驅動信號變成光纖信號送到光纖驅動板9，驅動模塊的開關，接口電路需要接入+24V、+15V、+5V、-15V電源。
[0017]圖2為礦用防爆型三電平變頻調速裝置逆變單元拓撲圖，主要由IGBT開關管和二極管構成，通過將多個功率器件串聯，按一定的開關控制產生需要的電平級數，在輸出端合成相應的正弦波。以U相為例，電容C1、C2為變換電路提供了兩個相同的直流電壓，二極管D5、D6用于電平鉗位。同時導通T1、T2，關斷T3、T4時，在逆變單元輸出端可以獲得一個正電平；同時導通T2、T3，關斷T1、T4時輸出電壓為零；同時導通Τ3、Τ4，關斷Τ1、Τ2時，可在輸出端得到一個負電平；輸出零電平主要是靠Τ2、Τ3和二極管D5、D6共同作用實現的。通過對Tl一T4四個開關器件的控制，可以在輸出端合成三電平的波形。主要的工作情況如下:
[0018]1、給Tl、T2導通觸發脈沖，T3、T4關斷時；如負載電流為流入方向(相對于負載)，則電源對電容Cl充電，電流流過主管T1、T2，忽略管壓降，該相端出電壓U=Vdc/2 ;如負載電流為流出方向，電流流過與主管T1、T2并聯的續流二極管D1、D2對電容Cl充電，則該相輸出端電壓是U=Vdc/2。
[0019]2、給T2、T3導通觸發脈沖，Τ1、Τ4關斷時；如負載電流為流入方向，則電源對電容Cl充電，電流流過鉗位二極管D5、主管Τ2，此時該相輸出端電壓U=O ;如負載電流為流出方向，電流流過主管Τ3，再流過鉗位二極管D6，電源對電容C2充電，則該相輸出端電壓是U=0。
[0020]3、給T3、T4導通觸發脈沖，Τ1、Τ2關斷時；如負載電流為流入方向，則電源對電容C2充電，電流流過主管Τ3、Τ4，該相輸出端電壓U=- Vdc/2 ;如負載電流為流出方向，電流流過主管與T3、T4并聯的續流二極管D3、D4對電容C2充電，則該相輸出端電壓是U=-Vdc/2。
[0021]目前常用的控制策略有正弦PWM (SPWM)和空間矢量PWM (SVPWM)。SVPWM方式采用逆變器可能輸出的矢量組合去逼近目標矢量的方式來實現對開關器件的控制，分為開環和閉環兩種。開環方式為計算好當前所需要得到的矢量，然后采用相應的輸出矢量去逼近；閉環方式又分為VC和DTC兩種，它們不僅僅通過計算的方式來得到開關狀態和作用時間，同時還對實際的輸出電量參數進行解耦、辨識，將辨識好的參數反饋，實現閉環運行，使得系統的動態響應和控制精度大大提高。SVPWM的優點是對電輸出矢量直接控制，使得電機運行平穩，特性提聞。
[0022]煤礦井下風機、水泵、刮板運輸機應用的礦用防爆型三電平變頻調速裝置與二電平的安裝方式相同，由于平波單元采用的是薄膜電容，體積相對較小，薄膜電容的安裝采用的是疊層母排結構，使其橋臂上電感量減小，有效的抑制關斷過程中產生的電壓尖峰。三電平逆變器可用低頻進行開關動作，損耗小。由于開關器件的關斷不是瞬時完成的，有一定的關斷時間，在關斷時間內，其電壓快速升高，電流快速降低，自身的瞬時損耗功率是電壓與電流的乘積，因此每次的開關動作都會有損耗。對于相同直流母線電壓來說，三電平的開關器件的峰值電壓只有二電平的一半，因此單次開關動作時的損耗小，其總損耗小。
【權利要求】
1.一種礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征為:該裝置由主回路和控制回路組成，主回路包括輸入電抗器(I)、整流單元(2)、平波單元(3)、逆變單元(4)和輸出電抗器(6),控制回路包含主控電路(8)、接口電路(10)、鍵盤顯示(7)、光纖驅動板(9)和電流傳感器(5);電網電壓通過輸入電抗器(I)接到整流單元(2)的輸入，整流單元(2)的輸出與平波單元(3 )的電容并聯接到逆變單元(4 )的輸入端，逆變單元(4 )與輸出電抗器(6 )串聯接到電機；主控電路(8)通過接口與接口電路(10)和鍵盤顯示(7)相連，光纖驅動板(9)和電流傳感器(5)分別與接口電路(10)相連。
2.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:電網對平波單元進行充電，根據平波單元的容量預充電時間設為7s，當平波單元的電壓達到設定的直流母線電壓，充電電阻兩端的電壓尖峰達到預定值，接觸器開始吸合，通過接觸器的一個常開點把信號傳送給主控電路，則預充電完成；整流單元把交流電整定成直流，平波單元進行濾波，逆變單元把直流電變成交流電；接口電路對系統的電流、電壓、溫度信號進行檢測和采樣，同時傳送到主控電路進行控制，發出驅動信號對逆變單元進行控制。
3.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:溫度信號轉換成電信號傳送到主控電路；電流信號則是通過霍爾傳感器進行檢測變比，傳到主控電路。
4.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:平波單元是由兩個電容串聯，電容的兩端分別并聯一個電阻，兩個電容的中點為三電平電壓輸出的零點電平。
5.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:逆變單元每個橋臂由兩個IGBT開關管串聯，并通過兩個二極管鉗位到直流母線的中點；該逆變單元每相可以輸出三種電平，假設直流母線電壓為Vdc，若以母線中點為參考點，則輸出電平分別定義為:+Vdc/2、0、-Vdc/2。
6.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:平波單元采用疊成母排的形式，減小線路上的電感量，從而減小關斷時的電壓尖峰。
7.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:主控電路中DSP芯片的電源電壓為+3.3V，最大電壓不能超過+3.6V，在供電電路中引入穩壓管進行穩壓。
8.根據權利要求1所述的礦用防爆型三電平變頻調速裝置，其特征是:接口電路實現輸入交流電壓米樣、直流電壓米樣、溫度米樣、三相輸出電流米樣、故障信號米樣，并發出驅動信號，接口電路需要接入+24V、+15V、+5V、-15V電源。
【文檔編號】H02M7/487GK203377835SQ201320385502
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月1日 優先權日:2013年7月1日
【發明者】許開成, 陸文濤, 朱海軍, 李志遠 申請人:唐山開誠電控設備集團有限公司