CN102638222A

CN102638222A - 复合斩波带快速过流保护的串级调速装置

Info

Publication number: CN102638222A
Application number: CN2012101206303A
Authority: CN
Inventors: 江友华; 曹以龙; 唐忠
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明涉及一种复合斩波带快速过流保护的串级调速装置,采用数字信号处理器对内馈斩波串级调速的斩波器实行数字式双闭环控制，且斩波器采用错相控制，减小直流电流脉动，使其性能和可靠性得到提高，同时对传统有源逆变器进行改造，采用全控器件IGBT构成有源逆变器的上桥臂，下桥臂依然采用半控器件晶闸管SCR构成，这样不仅可以快速的进行过流保护，还可以有效防止系统电网掉电时存在晶闸管逆变颠覆的问题。因此采用新的电力电子技术及新的拓扑结构和控制方法，对内馈斩波串级调速的斩波器实行数字式双闭环控制，使之共同作用于串级调速，在技术上将会使串级调速系统上升一个台阶。

Description

复合斩波带快速过流保护的串级调速装置

技术领域

本发明涉及一种串级调速装置，特别涉及一种复合斩波带快速过流保护的串级调速装置。

背景技术

我国是一个电力资源非常短缺的国家，节能作为一项重要的技术政策，对国民经济的发展具有深远的影响。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据统计，全国风机和水泵的耗电量占到整个工业用电量的40％以上，而风机、水泵一般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量也要跟踪调节。传统的调节方法是调节入口或出口的阀门开度，使得风机、水泵用电量的30%-40％消耗在调节阀门及管网压降上，这是一种效益差、能耗大、设备损坏快、维修量大、运行费用高的落后办法，不仅造成了电能的巨大浪费，而且与经济运行标准也有相当大的差距。如果对风机、水泵进行调速，则可以取得很好的节能效果，提高经济效益。目前比较有发展前景的高压大功率调速技术应该是串级调速技术和高压变频技术，其中串级调速技术是从电机转子侧来实现调速，而高压变频调速技术是直接从定子侧来调速，两者各有千秋。但是对于那些调速性能要求不高，调速范围不宽的高压大功率风机、水泵，串级调速是一种比较经济可行的调速方案。然而传统的串级调速系统存在功率因数低、谐波含量大等缺点，并且目前工业现场使用的内馈斩波串级调速系统的斩波器大多采用开环控制，其动态性能不好，转子整流电流不可控，容易发生过流故障，使得装置的可靠性降低，这些都影响了串级调速在风机、泵类负载调速场合的推广应用。

目前关于串级调速装置的已公开的专利大致有以下几类：

（1）传统型：这种类型主电路拓扑主要由整流模块，逆变模块构成，没有斩波模块，其功率因数比较低，直流脉动也大，如专利CN02109096.3所公开的定子双绕组内反馈串级调速高压电动机及其调速控制装置。

（2）开环控制型：这种类型主电路虽然也带有斩波环节，但是其不足是采用开环控制，容易发生过流保护，且斩波环节不是采用移相控制，直流电流脉动大。如专利02260070所公开的内反馈式高频斩波交流调速装置。

（3）闭环控制型：这种类型主电路斩波器带有闭环控制，但是由于其电流环采用两点式滞环控制，IGBT开关频率不固定，有的高达好几千赫玆，开关损耗比较大，散热比较难。如专利200710122573 所公开的IGBT逆变器中压电动机斩波式双DSP数字调速系统。

（4）逆变颠覆保护型：这种类型在有源逆变器直流侧串联IGBT来防止逆变颠覆，后端全部采用IGBT来构成有源逆变器，不仅控制比较复杂，而且其成本比较高，接近高压变频器成本，因此在价格上不占有优势。

发明内容

本发明是针对现在串级调速装置功率因数低、谐波含量大的问题，提出了一种复合斩波带快速过流保护的串级调速装置,其具有斩波电流脉动小、调速平稳、快速过流及掉电故障保护的特点。

本发明的技术方案为：一种复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，包括内馈电机、串级调速装置和控制模块，内馈电机包括定子绕组、转子绕组和调节绕组，串级调速装置包括整流部分、斩波部分和逆变部分，内馈电机转子绕组电流分别依次经过串级调速装置包括整流部分、斩波部分和逆变部分后输出返回到内馈电机的调节绕组，串级调速装置的斩波部分输出的电流信号和来自测速接近开关从内馈电机处取得的速度信号同时送入控制模块, 控制模块根据速度和电流双闭环控制算法以及错相控制法产生的错相的斩波脉冲到串级调速装置的斩波部分，同时有源逆变脉冲信号到串级调速装置的逆变部分。

所述串级调速装置斩波部分由两个斩波模块并联而成，每个斩波模块由电感、绝缘栅双极晶体管、吸收二极管和输出二极管组成，串联的电感和绝缘栅双极晶体管接整理部分输出两端，吸收二极管并联在绝缘栅双极晶体管两端，串联的电感和绝缘栅双极晶体管中间连接点经过输出二极管接逆变部分，斩波部分输出和逆变部分输入端并联有储能电容。

所述逆变部分为有源逆变器，由三组串联的绝缘栅双极晶体管和可控硅晶体管并联组成，三个绝缘栅双极晶体管上都并联吸收二极管，三个绝缘栅双极晶体管和可控硅晶体管的连接点接所述内馈电机的调节绕组。

所述控制模块包括数字信号处理器、可编程的逻辑控制器和人机界面，数字信号处理器处理信号，通过人机界面设定的给定信号和通过测速接近开关从内馈电机得到的反馈信号，经过一阶滤波器送往速度环，速度环的输出量是电流环的给定信号，电流环的反馈信号是从斩波模块输入端经过霍尔器件得到，同样是经过一阶滤波器送往电流环，电流环的输出为占空比控制变量，送到斩波脉冲发生器，形成触发脉动，并经过脉冲放大器输出，再经过错相控制产生两个错相的斩波脉冲对斩波部分的两个绝缘栅双极晶体管进行通断控制。所述数字信号处理器错相控制产生两个错相的斩波脉冲的相位差为θ=π/N，其中N为复合斩波模块个数。

本发明的有益效果在于：本发明复合斩波带快速过流保护的串级调速装置, 采用数字信号处理器对内馈斩波串级调速的斩波器实行数字式双闭环控制，且斩波器采用错相控制，减小直流电流脉动，使其性能和可靠性得到提高，同时对传统有源逆变器进行改造，采用全控器件IGBT构成有源逆变器的上桥臂，下桥臂依然采用半控器件晶闸管SCR构成，这样不仅可以快速的进行过流保护，还可以有效防止系统电网掉电时存在晶闸管逆变颠覆的问题。因此采用新的电力电子技术及新的拓扑结构和控制方法，对内馈斩波串级调速的斩波器实行数字式双闭环控制，使之共同作用于串级调速，在技术上将会使串级调速系统上升一个台阶。

附图说明

图1为本发明复合斩波带快速过流保护的串级调速装置中主电路示意图；

图2为本发明复合斩波带快速过流保护的串级调速装置中控制模块示意图；

图3为本发明复合斩波带快速过流保护的串级调速装置中双闭环控制示意图；

图4为传统斩波器进行斩波得到的电流波形图；

图5为本发明复合斩波带快速过流保护的串级调速装置中采用错相控制得到的波形图。

具体实施方式

本发明的具有快速过流及掉电故障保护的内馈斩波串级调速装置如图1所示主电路示意图和如图2所示控制模块示意图。主电路包括内馈电机1与串级调速装置两部分构成。其中内馈电机又分为三个部分，定子绕组（流过的电流为I _s），转子绕组（流过的电流为I _r），调节绕组（流过的电流为I _f）。串级调速装置包括整流部分2，斩波部分3和逆变部分5。其中整流部分2中的整流器为大功率二极管构成的三相整流桥DR，其功能是把来自所述转子绕组交流电I _r变成直流电。斩波部分3由两个相位差90⁰（相位差θ=π/N，这里N=2 N是复合斩波模块个数）的斩波模块构成，斩波模块包括连接至三相整流桥DR一输出端的电感，电感的另一端分别连接至输出二极管D4的正极和由第一绝缘栅双极晶体管以及反向并联在第二绝缘栅双极晶体管两端的输出二极管D6组成的第二并联电路的一端，并联电路的另一端连接至三相整流桥的另一输出端；具体地，本实例中的一个斩波模块包括电感L₁、连接在电感L₁另一端的IGBT1、反向并联在IGBT1两端的吸收二极管D1和其正极同样连接至L₁另一端的输出二极管D4，流入IGBT1的电流是i ₁；另一斩波模块包括L₂、连接在电感L₂另一端的IGBT2、反向并联在IGBT2两端的吸收二极管D2和其正极同样连接至L₂另一端的输出二极管D6，流入IGBT2的电流是i ₂。两个斩波模块在A,B两点相连接，其中A是分开点，B点是汇集点。两个斩波模块由控制模块进行速度电流双闭环控制，且两个斩波模块之间实行错相控制，提高了等效开关频率，减少了开关损耗和直流电流脉动。斩波模块后端连接于储能电容4，储能电容4后端连接有源逆变器5，即B点连接至电容C的正极。

逆变部分5包括有源逆变器，本发明的有源逆变器同传统逆变器不同的地方是上桥臂包括可控电力电子器件IGBT构成。如图1所示，IGBT3,IGBT5,IGBT7构成有源逆变器的上桥臂，且每个IGBT器件的两端反向并联一二极管，分别为D3,D5,D7；而下桥臂由可控硅晶体管SCR4,SCR6,SCR8构成。有源逆变器中串联的上桥臂和下桥臂的连接点D、E、F三点连接内馈电机的调节绕组侧，其逆变电流是I _f 。

控制模块，用于给主电路中的IGBT器件和SCR期间提供脉冲作为控制信号，包括数字信号处理器6（DSP控制器）、可编程的逻辑控制器7（PLC）和人机界面8。其中DSP控制器6接收从斩波部分3输出的电流信号

Figure 2012101206303100002DEST_PATH_IMAGE002

和来自测速接近开关101从内馈电机1处取得的信号n _f,根据双闭环控制算法以及错相控制法产生的错相的斩波脉冲PWM1和PWM2分别输出至IGBT1和IGBT2的控制端，另外DSP控制器6还产生有源逆变脉冲PWM3、PWM5、PWM7和PUL4、PUL6、PUL8分别输出至有源逆变部器5中的器件IGBT3、IGBT5、IGBT7和SCR4、SCR6、SCR8的控制端。PLC7根据从DSP控制器6中取得的信息对斩波部分3和逆变部分5进行工艺控制，同时在斩波部分3或逆变部分5出现非正常工作状态时，（即过流、过压或掉电等），反馈信息至DSP控制器6以使其不输出脉冲至斩波部分3或逆变部分5。一具体的实例中，DSP控制器6芯片可采用Ti公司的TMS320LF2407，PLC可采用西门子S200，DSP控制器6与PLC7之间通过RS485进行数据交换。

传统串级调速的斩波器采用开关控制，而本发明的斩波模块采用速度、电流双闭环控制，其双闭环控制示意如图3所示：其中外环是速度环，它的给定信号U ^* _n (s)是通过人机界面进行设定，反馈信号n _f是通过测速接近开关从内馈电机得到的，并经过一阶滤波器送往速度环ASR，速度环的输出量

Figure 2012101206303100002DEST_PATH_IMAGE004

是电流环的给定信号，电流环的反馈信号

Figure 2012101206303100002DEST_PATH_IMAGE006

（即为图1中的

Figure 2012101206303100002DEST_PATH_IMAGE008

）是从斩波模块输入端经过霍尔器件得到，同样是经过一阶滤波器送往电流环ACR，电流环的输出D就是占空比控制变量，送到斩波脉冲发生器，形成触发脉动，并经过脉冲放大器输出至斩波模块中的IGBT进行通断控制。其中本实例中，根据占空比D产生脉冲PWM1输出至IGBT1的控制端。另根据对占空比D进行错相处理后得到另一占空比数值，将该占空比数值送到斩波脉冲发生器，产生与脉冲PWM1有相位差的脉冲PWM2输出至IGBT2的控制端，形成斩波模块的错相控制。具体的，脉冲PWM1和脉冲PWM2的相位差由N的选值决定，θ=π/N，这里N=2。

因此，本发明的斩波模块除了进行速度电流双闭环控制外，两个斩波器还采用错相控制，这样可以提高等效开关频率，减少开关损耗和直流电流脉动。图4是传统斩波器进行斩波得到的电流波形，图5是采用错相控制不同斩波模块的电流波形（相位差为90°）以及两个电流波形合成后的合成波形，从其合成波形可以看出，其直流脉动与传统斩波器的相比，等效开关频率为传统斩波器的两倍，因此直流脉动比较小。

DSP控制器主要完成：（1）两个斩波模块的速度电流双闭环控制算法，PWM脉冲的产生；（2）斩波模块的错相控制；（3）有源逆变器的控制算法及相应脉冲的产生；（4）过流、过压等要求快速性的故障保护。PLC主要完成整个系统的工艺控制及相应器件的动作，其中包括系统启动及斩波器的工艺控制，有源逆变器的工艺控制。此外，PLC还通过串行通信与人机见面进行数据交换，把相应的数据送往人机界面进行显示，同时接收人机界面上的指令动作。

传统串级调速后端采用晶闸管有源逆变，因此其是电压自然过零点关断，这样一旦系统电网电压掉电，则直流侧电容电压与交流电网侧容易发生逆变颠覆故障，且晶闸管是半控器件，因此在发生逆变过流时，不能立即关断，因此容易发生逆变过流故障，损坏晶闸管。而上桥臂采用可控器件IGBT，这样在系统电网掉电时，IGBT器件可以立即关断，而不用等到电网电压自然过零点才关断，可以有效防止逆变颠覆故障。此外，当DSP控制器检测到逆变电流过大时，能够迅速控制IGBT关断，快速对逆变电流故障进行保护。

Claims

1.一种复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，其特征在于，包括内馈电机、串级调速装置和控制模块，内馈电机包括定子绕组、转子绕组和调节绕组，串级调速装置包括整流部分、斩波部分和逆变部分，内馈电机转子绕组电流分别依次经过串级调速装置包括整流部分、斩波部分和逆变部分后输出返回到内馈电机的调节绕组，串级调速装置的斩波部分输出的电流信号和来自测速接近开关从内馈电机处取得的速度信号同时送入控制模块, 控制模块根据速度和电流双闭环控制算法以及错相控制法产生的错相的斩波脉冲到串级调速装置的斩波部分，同时有源逆变脉冲信号到串级调速装置的逆变部分。

2.根据权利要求1所述复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，其特征在于，所述串级调速装置斩波部分由两个斩波模块并联而成，每个斩波模块由电感、绝缘栅双极晶体管、吸收二极管和输出二极管组成，串联的电感和绝缘栅双极晶体管接整理部分输出两端，吸收二极管并联在绝缘栅双极晶体管两端，串联的电感和绝缘栅双极晶体管中间连接点经过输出二极管接逆变部分，斩波部分输出和逆变部分输入端并联有储能电容。

3.根据权利要求1所述复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，其特征在于，

4.根据权利要求1所述复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，其特征在于，

所述控制模块包括数字信号处理器、可编程的逻辑控制器和人机界面，数字信号处理器处理信号，通过人机界面设定的给定信号和通过测速接近开关从内馈电机得到的反馈信号，经过一阶滤波器送往速度环，速度环的输出量是电流环的给定信号，电流环的反馈信号是从斩波模块输入端经过霍尔器件得到，同样是经过一阶滤波器送往电流环，电流环的输出为占空比控制变量，送到斩波脉冲发生器，形成触发脉动，并经过脉冲放大器输出，再经过错相控制产生两个错相的斩波脉冲对斩波部分的两个绝缘栅双极晶体管进行通断控制。

5.根据权利要求4所述复合斩波带快速过流保护的串级调速装置，其特征在于，

所述数字信号处理器错相控制产生两个错相的斩波脉冲的相位差为θ=π/N，其中N为复合斩波模块相数。