CN101353130B - 交流矿井提升机转子调频调压装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要提出一种交流矿井提升机转子调频调压装置，其电源输入部分由整流变压器、开关稳压电源组成；整流和回馈部分由整流桥及其电流互感器、回馈桥及其电流互感器、整流回馈控制单元和整流回馈触发单元等组成；直流储能部分由多组串联的电解电容组并联而成；调压调频输出部分由逆变桥及其电流互感器、逆变桥控制单元和触发单元组成，逆变桥的交流输出直接与绕线式电动机的转子三相绕组相连。提升机提升重物过程，本装置输出正功率，在下放重物或减速过程中，本装置将位能或势能转变成电能回馈到电网中，从而输出负功率。本装置取代交流绕线式异步电动机的转子外串接的金属电阻可在实现节能的前提下对交流矿井提升机进行无级调速控制。

Description

交流矿井提升机转子调频调压装置

技术领域

本发明属于矿井提升机控制技术，主要提出一种交流矿井提升机转子调频调压装置，取代交流绕线式异步电动机的转子外串接的金属电阻，从而实现在节能的前提下对交流矿井提升机进行无级调速控制。

背景技术

目前，公知的交流提升机调速是通过改变交流绕线式异步电动机的转子外串接的金属电阻进行的，加速前串入所有电阻，然后逐级切除电阻，提升机加速，所有电阻切完后，提升机以额定速度运行；减速阶段，要投入电气制动电流(低频电流或直流电流)并在转子外串电阻的配合下才能进行可控减速。但是，这种交流绕线式异步电动机的转子串接电阻进行调速的方式，主要存在以下缺点：1)需要几十箱至二百箱的金属电阻，占地面积大；2)在提升机加速、减速以及在重物下放的过程中，有大量的电能消耗在电阻上，浪费大量能源，不符合国家节能减排的政策；3)有级调速，调速性能差；4)在电动机的定子侧存在有触点的换向及投制动电流切换，设备可靠性不高。

由于历史的原因，现在国内使用的这种调速方式的提升机有数几千台之多，怎样才能够在原设备的基础上将这些电阻取代掉，既花较少的代价又能达到节能的目的，这是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的即是提出一种交流矿井提升机转子调频调压装置，使其可对交流绕线式异步电动机的转子进行直接调频调压，从而实现对交流矿井提升机进行调速控制；使调频调压装置能够取代转子外接金属电阻及其控制系统，在不需改变原提升机主机、电动机的情况下，达到节能的目的。

本发明采取以下技术方案完成其发明任务：一种交流矿井提升机转子调频调压装置，主要包括有电源输入部分、整流和回馈部分、直流储能部分和调压调频输出部分。

为调压调频装置提供电源的电源输入部分包括整流变压器ZB1和直流电源WY；整流变压器ZB1由三个绕组组成，其中整流变压器ZB1初级绕组a的电压取决于电网系统的供电电压，整流变压器ZB1的次级具有双，次级绕组b1的输出额定电压u1与逆变桥QL3输出的额定电压u3相同，均为绕线式电动机M的转子额定电压，使调频调压装置能够与不同额定电压的绕线式电动机转子相匹配；整流变压器ZB1另一组次级绕组b2的额定输出电压为1.2倍的次级绕组b1的输出额定电压u1，使调频调压装置的直流储能部分能够储存一定的能量，将多余部分及时回馈到电网中去；开关稳压电源WY的供电电压为380V，输出±15V的直流电压作为转子调频调压装置中电子模块单元的供电电源，维持调频调压装置的运行。

整流和回馈部分主要由整流桥QL1、回馈桥QL2、整流回馈控制单元A1、整流回馈触发单元B1和电流互感器LM1-1～3、LM1-4～6组成：整流桥QL1、回馈桥QL2均为三相可控整流桥，其功率器件为可控硅，整流桥QL1输出的正极与回馈桥QL2输出的负极相连作为直流储能部分的直流母排“+”极，整流桥QL1输出的负极与回馈桥QL2输出的正极相连作为直流储能部分的直流母排“-”极，整流桥QL1和回馈桥QL2的三相输入分别取自整流变压器ZB1的次级绕组b1和b2，整流桥QL1将交流电压u1整流成直流，在电解电容C11的正极形成母排电压“+”极，在电解电容C13的负极形成母排电压“-”极；当母排电压高于一定值时，回馈桥QL2工作，将母排的直流电压调制成与电网同频率的交流电压，通过ZB1次级b2回馈到电网中去；整流桥QL1和回馈桥QL2中可控硅的门极与整流回馈触发单元B1相连，B1在为这些可控硅提供触发脉冲的同时实时地采集到可控硅阳极-阴极间和母排“+”“-”两极间的电压，电流互感器LM1-1～3与B1相连并采集整流桥QL1的三相电流、电流互感器LM1-4～6也与B1相连并采集回馈桥QL2的三相电流，整流回馈触发单元B1与整流回馈控制单元A1通过一组扁平电缆相连，进行触发脉冲信号的传送、实时电压和电流信号的采集和传送。

直流储能部分主要由若干电解电容组并接而成：每一电容组由3个或3个以上串联的电解电容组成，以增加电容的耐压；为了解决电容在串联过程中电压分配的一致性问题，分别在每只电解电容两端并有均压电阻；多个电容组并接于直流母排“+”和“-”两极，形成能够存储一定电能的直流储能环节。

调压调频输出部分主要由逆变桥QL3、电流互感器LM2-1～3和逆变桥触发单元B2、逆变桥控制单元A2以及光电转换单元A2-1、B2-1组成：逆变桥QL3为三相全控桥，其功率器件为大功率IGBT，逆变桥QL3的正极与直流母排的“+”极相连，逆变桥QL3的负极与直流母排的“-”极相连，逆变桥QL3的三相交流端直接与绕线式交流电动机的转子相连，在提升机提升重物过程中，逆变桥QL3将直流电调制成可调频率及电压的交流电，在提升机下放重物或负力减速过程中，逆变桥QL3将频率及电压处于变化的交流电整流成直流电，通过转子调频调压装置将提升负载的位能或势能变成电能并回馈到电网中。

逆变桥QL3的触发脉冲由逆变桥触发单元B2提供，逆变桥QL3中IGBT的栅极与逆变桥触发单元B2相连，B2在为这些IGBT提供触发脉冲的同时实时地采集到逆变桥QL3中各IGBT发射极-集电极两端的电压，电流互感器LM2-1～3与B2相连并实时采集逆变桥QL3的交流侧电流，逆变桥控制单元A2与逆变桥触发单元B2通过一组光纤相连，进行触发脉冲信号的传送、实时电压和电流信号的采集和传送；光电转换单元A2-1、B2-1将逆变桥控制单元A2和逆变桥触发单元B2的电信号先转换成光信号传送出去，再把接收到的光信号转换成电信号。通过光纤传送信号优点有：有效的隔离，逆变桥中如果IGBT被击穿损坏不至于导致控制单元A2被损坏，提高信号传送的可靠性。

本发明所提出控制装置的工作过程为：当电源部分得到供电后，开关稳压电源WY为本调频调压装置供电，经上电自检，调频调压装置处于待机工作状态，当整流变压器ZB1得电，其次级绕组b1输出交流电压u1为整流桥QL1供电，在整流回馈控制单元A1及整流回馈触发单元B1的控制下，整流桥QL1将交流电整流成直流电，直流储能部分对本直流电进行储能和滤波，逆变桥QL3将直流电调制成频率可调、电压幅值可调的交流电，随着逆变桥QL3输出的频率和电压逐步升高，绕线式电动机M带动提升机T进行加速，当频率升到额定频率、电压升到绕线式电动机M转子额定电压的时候，提升机处于等速段运行，在加速阶段和等速阶段，检测整流桥QL1的电流互感器LM1-1～3以及检测逆变桥QL3的电流互感器LM2-1～3所检测到的电流为正相序，说明绕线式电动机M处于电动状态，本调频调压装置工作在I象限。在减速过程，逆变桥QL3在逆变桥控制单元A2与逆变桥触发单元B2的作用下，其输出的频率、电压逐渐下降，由于提升机系统的大惯量的作用，绕线式电动机M处于超同步速即发电状态运行，电机的转子电压通过逆变桥QL3的整流作用，使得直流母排的“+”和“-”之间的电压逐渐升高，当母排电压达到回馈桥QL2的门槛电压，在整流回馈控制单元A1、整流回馈触发单元B1的作用下，回馈桥QL2开始工作，将母排的直流电压调制成交流电压叠加在整流变压器ZB1的次级b2绕组上，由于整流变压器ZB1的电流耦合作用，将能量回馈到电网中去，检测回馈桥QL2的电流互感器LM1-4～6以及检测逆变桥QL3的电流互感器LM2-1～3所检测到的电流为负相序，说明绕线式电动机M处于发电状态，本调频调压装置工作在II象限。反向亦然，加速及等速段，绕线式电动机M处于电动状态，本调频调压装置工作在III象限，减速阶段，绕线式电动机M处于发电状态，本调频调压装置工作在IV象限。因此，本调频调压装置具有四象限运行的功能，适合于提升机运行的工况要求。在提升机重物下放或负力减速过程中，绕线式电动机M处于发电状态，本调频调压装置能够将位能或势能转化成电能回馈到电网中去。

本发明中，整流变压器ZB1的次级具有双绕组，其中次级绕组b1的输出额定电压u1与逆变桥QL3输出的额定电压u3相同，均为绕线式电动机M的转子额定电压，尽管每台绕线式电动机转子额定电压不同，但是本调频调压装置与绕线式电动机总是相匹配。整流变压器ZB1另一组次级绕组b2的额定输出电压为1.2倍的次级绕组b1的输出额定电压u1，决定了本调频调压装置中直流储能部分能够储存一定的能量，多余部分回馈到电网中去。

本发明提出的交流矿井提升机转子调频调压装置，能够取代交流矿井提升机转子外接的金属电阻，并且实现无级调速，克服了金属电阻在提升机的调速过程中通过发热将能量消耗掉的缺点，实现节能的目的，符合国家节能减排的政策。对于目前国内有数千台的转子外接金属电阻进行调速的交流提升机而言，在主机、电动机不需改变的情况下，就可以进行技术改造和技术升级，达到节能、提高运行性能和安全可靠性的目的，具有重要的使用价值。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

结合附图对本发明实施例加以说明：

如图1所示，本发明交流矿井提升机转子调频调压装置，主要由电源输入部分①、整流/回馈部分②、直流储能部分③、调压调频输出部分④等组成；电源部分分成两个环节，其一，开关稳压电源WY将系统提供的交流380V电源变成+15V、-15V的直流电源，提供给本调频调压装置中各单元A1、B1、A2、B2以及A2-1、B2-1使用，维持调频调压装置的正常运行；其二，通过整流变压器ZB1能够为本调频调压装置提供大容量的交流电源，ZB1的初级绕组设计成能够接受国内任何等级的标准电压，如380V、660V、1140V、3KV、6KV、10KV，ZB1的次级b1的输出电压u1设计成与所控制的提升机绕线式电动机转子的额定电压相同，为的是能够满足绕线式交流电动机的调速范围的要求，ZB1次级b1的输出直接与整流桥QL1的交流输入相连，整流桥QL1将交流电压u1整流成直流，在电解电容C11的正极形成母排电压“+”极，在电解电容C13的负极形成母排电压“-”极；ZB1次级b2与回馈桥QL2的交流端相连，次级b2的输出电压u2设计成1.2倍的u1，当母排电压高于一定值时，回馈桥QL2工作，将母排的直流电压调制成与电网同频率的交流电压，通过ZB1次级b2回馈到电网中去。

整流和回馈部分由整流桥QL1及用于本桥电流检测的电流互感器LM1-1～3、回馈桥QL2及用于本桥电流检测的电流互感器LM1-4～6、整流回馈控制单元A1、整流回馈触发单元B1等组成，整流桥QL1、回馈桥QL2均为三相可控整流桥，其功率器件为可控硅；整流桥QL1和回馈桥QL2的主线路接成反并联形式，并接于直流母排的“+”和“-”两端，整流桥QL1和回馈桥QL2中可控硅的门极与B1相连，B1单元在为这些可控硅提供触发信号的同时对整流桥QL1和回馈桥QL2中各个可控硅发射极-集电极间的电压以及桥输出的直流电压进行实时检测，为整流回馈控制单元A1提供整流桥QL1和回馈桥QL2工作的实时电压情况；电流互感器LM1-1～3和LM1-4～6直接连至整流回馈触发单元B1，整流回馈控制单元A1和整流回馈触发单元B1通过一组扁平电缆相连，A1将产生的脉冲等控制信号通过B1对整流桥QL1和回馈桥QL2进行控制，通过B1对整流桥QL1和回馈桥QL2的电压及电流进行检测，能够将电压、电流信号实时地传到A1单元中，作为A1单元进一步发送控制信号的依据。

直流储能部分由若干大容量电解电容组并接而成，每一组电容组由3个串联的电解电容组成，如C11、C12、C13，C11的正极与直流母排的“+”极相连，C13的负极与直流母排的“-”极相连，R11、R12、R13为均压电阻分别与C11、C12、C13并联，以确保电解电容C11、C12、C13从直流母排承受相同的电压。多个电容组并接于直流母排“+”和“-”两极，形成能够存储一定电能的直流储能环节。直流母排的“+”和“-”两极将整流桥QL1、回馈桥QL2、逆变桥QL3连接在一起，确保能量即可以顺流也可以逆流。

调压调频输出部分由逆变桥QL3及用于本桥电流检测的电流互感器LM2-1～3、逆变桥触发单元B2、逆变桥控制单元A2以及附加在A2和B2上的光电转换单元A2-1、B2-1组成，逆变桥QL3为三相全控桥，其功率器件为大功率IGBT，逆变桥QL3的正极与直流母排的“+”相连、逆变桥QL3的负极与直流母排的“-”相连、逆变桥QL3的交流输出直接与绕线式电动机的转子三相绕组相连，通过调节逆变桥QL3输出电压的幅值和频率可以控制绕线式电动机以致提升机的速度，达到调速的目的。电流互感器LM2-1～3的输出与逆变桥触发单元B2相连，B2单元对逆变桥QL3的输出电流进行实时采样，逆变桥QL3中IGBT的栅极与B2相连，B2单元在为这些IGBT提供触发信号的同时对逆变桥QL3中各个IGBT发射极-集电极间的电压以及桥输出的交流电压进行实时检测，为逆变桥控制单元A2提供逆变桥QL3工作的实时电压情况；逆变桥控制单元A2和逆变桥触发单元B2通过光电转换单元A2-1、B2-1及一组光纤相连，光纤将A2所产生的脉冲等控制信号通过B2对逆变桥QL3进行控制，B2对逆变桥QL3的电压及电流进行检测，并将电压、电流信号实时地传到A2单元中，作为A2单元进一步发送控制信号的依据。

在提升机T提升重物过程中，电动机M处于电动状态，电能从整流变压器ZB1的b1绕组，通过整流桥QL1经直流储能部分，流向逆变桥QL3，逆变桥QL3输出电流给绕线式电动机M的转子，整个交流提升机转子调频调速装置处于输出电能状态。在提升机T下放重物或负力减速过程中，为了产生电气制动力并且能够使提升机的速度处于可控状态，电动机M处于超同步速运行即发电状态，将提升负载的位能或势能转换成电能，电动机M输出电流流经逆变桥QL3，逆变桥QL3将交流电整流成直流电，使直流储能部分直流母排“+”和“-”两端的电压升高，达到回馈桥QL2的回馈电能的门槛电压时，回馈桥QL2开始回馈电能，回馈桥QL2将直流电压调制成与电网相同频率的三相交流电压经整流变压器的绕组b2回馈到电网中，达到将位能转换成电能即节能的目的，在回馈桥QL2进行回馈电能的过程中，直流母排“+”和“-”两端的电压不再继续升高，整流桥QL1、回馈桥QL2、各电解电容、逆变桥QL3等功率元件承受到可控的有限电压，确保器件的安全工作。

Claims (4)

1.一种交流矿井提升机转子调频调压装置，其特征是：主要包括有电源输入部分、整流和回馈部分、直流储能部分和调压调频输出部分；

a、为转子调频调压装置提供足够容量电源的电源输入部分主要由整流变压器ZB1、开关稳压电源WY组成；其中整流变压器ZB1初级绕组a的电压取决于电网系统的供电电压，整流变压器ZB1的次级具有双绕组，次级绕组b1的输出额定电压u1与逆变桥QL3输出的额定电压u3相同，均为绕线式电动机M的转子额定电压，使调频调压装置能够与不同额定电压的绕线式电动机转子相匹配；整流变压器ZB1另一组次级绕组b2的额定输出电压为1.2倍的次级绕组b1的输出额定电压u1，使调频调压装置的直流储能部分能够储存一定的能量，将多余部分及时回馈到电网中去；开关稳压电源WY的供电电压为380V，输出±15V的直流电压作为转子调频调压装置中电子模块单元的供电电源，维持调频调压装置的运行；

b、将交流电源转化为直流电源或将直流电转化成交流电的整流和回馈部分主要由整流桥QL1及其电流互感器LM1-1～3、回馈桥QL2及其电流互感器LM1-4～6和整流回馈控制单元A1、整流回馈触发单元B1组成；整流桥QL1输出的正极与回馈桥QL2输出的负极相连作为直流储能部分的直流母排“+”极，整流桥QL1输出的负极与回馈桥QL2输出的正极相连作为直流储能部分的直流母排“-”极，ZB1次级绕组b1与整流桥QL1的交流端相连，整流桥QL1输出的直流电源在电解电容C11的正极形成母排电压“+”极，在电解电容C13的负极形成母排电压“-”极；ZB1次级绕组b2与回馈桥QL2的交流端相连，整流回馈触发单元B1与整流桥QL1和回馈桥QL2中可控硅的门极相连，并在为这些可控硅提供触发脉冲的同时实时地采集到可控硅阳极-阴极间和“+”和“-”极间的电压；电流互感器LM1-1～3与B1相连并采集整流桥QL1的三相电流，电流互感器LM1-4～6与B1相连并采集回馈桥QL2的三相电流，整流回馈触发单元B1与整流回馈控制单元A1通过一组扁平电缆相连，进行触发脉冲信号的传送、实时电压和电流信号的采集和传送；

c、直流储能部分主要由若干电解电容组并接而成：每一组电容组由3个或3个以上串联的电解电容组成，以增加电容的耐压；分别在每只电解电容两端并有均压电阻，使电容在串联过程中保持电压分配的一致性；多个电容组Cn1、Cn2、Cn3并接于直流母排“+”和“-”两极，形成能够存储一定电能的直流储能环节；

d、调压调频输出部分主要由逆变桥QL3及其电流互感器LM2-1～3、逆变桥控制单元A2和触发单元B2以及分别附加在A2、B2上的光电转换单元A2-1和B2-1组成；逆变桥QL3的正极与直流母排的“+”极相连，逆变桥QL3的负极与直流母排的“-”极相连，逆变桥QL3的三相交流端直接与绕线式交流电动机的转子三相绕组相连，逆变桥QL3中IGBT的栅极与逆变桥触发单元B2相连，B2在为IGBT提供触发脉冲的同时实时采集逆变桥QL3中各IGBT发射极-集电极两端的电压，电流互感器LM2-1～3与B2相连并实时采集逆变桥QL3的交流侧电流，逆变桥控制单元A2与逆变桥触发单元B2通过一组光纤相连，进行触发脉冲信号的传送、实时电压和电流信号的采集和传送；在提升机提升重物过程中，逆变桥QL3将直流电调制成可调频率及电压的交流电，在提升机下放重物或负力减速过程中，逆变桥QL3将频率及电压处于变化的交流电整流成直流电，通过转子调频调压装置将提升负载的位能或势能变成电能并回馈到电网中。

2.根据权利要求1所述的交流矿井提升机转子调频调压装置，其特征是：整流变压器ZB1的输入额定电压是380V、660V、1140V、3KV、6KV、10KV；整流变压器ZB1的输出额定电压与交流矿井提升机绕线式电动机的转子额定电压相匹配。

3.根据权利要求1所述的交流矿井提升机转子调频调压装置，其特征是：整流和回馈部分中整流桥QL1、回馈桥QL2均为三相可控整流桥，其功率器件为可控硅。

4.根据权利要求1所述的交流矿井提升机转子调频调压装置，其特征是：调压调频输出部分中逆变桥QL3为三相全控桥，其功率器件为大功率IGBT。

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