CN106787812A - 一种矿用永磁同步电机变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿用永磁同步电机变频器，该变频器包括：输入整流模块、储能模块、输出逆变模块三者相互并联；所述的输入整流模块，用于将输入的交流电转换成直流电；所述的储能模块，用于将输入整流模块的电流转换成电能存储；所述的输出逆变模块，用于将储能模块中的电能转换成交流电输出；所述的控制系统模块，用于控制输入整流模块和输出逆变模块。通过本发明在很宽的负载范围内，实现了绝缘栅双极型晶体管的零电压开关，且不受负载范围和输入电压的影响，同时，消除了零状态时变压器一次测存在的环流，减少了通态损耗，提高了高压变频器的效率，绝缘栅双极型晶体管的电压应力是直流输入电压的一半。

Description

一种矿用永磁同步电机变频器
技术领域
本发明涉及矿用永磁电动机领域，尤其涉及一种矿用永磁同步电机变频器。
背景技术
长期以来，大功率交流电机调速涉及的一些关键技术、产品以致成套设备基本被国外大公司垄断，如电机铁芯用高性能软磁材料及永磁电机用高性能永磁材料的专利技术与产品、高压大电流全控开关器件、高性能数字信号控制器以及十至二十兆瓦以上功率等级高性能交流调速成套电控系统等，基本被一些国外大公司垄断。近年来，随着大功率交流调速系统涉及的材料、器件以及成套设备的国产化取得不同类型的成果。
大功率低速负载，如磨机、往复式压缩机等，使用多极永磁同步电动机虽然可以提高系统功率因数，也可以省去变速机构，如齿轮变速箱，但是永磁同步电机物理过程复杂、控制难度高，高压同步电机调速系统通常需要安装速度/位置传感器，增加了故障率，同时降低了系统可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：永磁同步电机物理过程复杂、控制难度高，高压同步电机调速系统通常需要安装速度/位置传感器，这不但增加了故障率，同时降低了系统可靠性。
为解决上面的技术问题，本发明提供了一种矿用永磁同步电机变频器,该高压变频器包括：输入整流模块、储能模块、输出逆变模块、控制系统模块；输入整流模块、储能模块、输出逆变模块三者相互并联；所述的输入整流模块，用于将输入的交流电转换成直流电；所述的储能模块，用于将输入整流模块的电流转换成电能存储；所述的输出逆变模块，用于将储能模块中的电能转换成交流电输出；所述的控制系统模块，用于控制输入整流模块中的绝缘栅双极型晶体管实现整流，把交流电整流成半波，同时控制输出逆变模块中的缘栅双极型晶体管实现逆变，把直流变成交流电，驱动电机。
本发明的有益效果：采用上述的高压变频器可以在很宽的负载范围内，实现了外侧绝缘栅双极型晶体管的零电压开关和内侧绝缘栅双极型晶体管的零电流开关，且不受负载范围和输入电压的影响，同时，消除了零状态时变压器一次测存在的环流，减少了通态损耗，提高了高压变频器的效率，绝缘栅双极型晶体管的电压应力是直流输入电压的一半。
进一步地，所述的储能模块包括：相互串联的电容C1和C2，电容C1一端P端分别与输入整流模块、输出逆变模块连接，电容C1另一端连接电容C2，电容C2一端N端分别与入整流模块、输出逆变模块连接，电容C2另一端连接电容C1。
进一步地，所述的输出逆变模块包括：3个逆变相单元，所述的3个逆变相单元相互并联，并联后的共同端与输入整流模块、储能模块连接。
进一步地，所述的每个逆变相单元包括：绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块；所述的绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块相互并联。
进一步地，所述的绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2、K-a3、K-a4，所述的4个绝缘栅双极型晶体管相互串联；
所述的钳位二极管模块包括：4个钳位二极管D-a1、D-a2、D-a3、D-a4，所述的4个钳位二极管相互串联。
上述进一步地有益效果：在变频器稳态工作时，电容Ca的电压恒为母线DC Link电压的一半，以实现内侧绝缘栅双极型晶体管的零电流开关。外侧绝缘栅双极型晶体管K-a1和K-a4利用结电容C-a1和C-a2实现了零电压关断；绝缘栅双极型晶体管的开通和关断过程中对结电容C-a1和C-a2，进行充放电，使K-a1和K-a4两端电压达到零，借此实现外侧绝缘栅双极型晶体管的零电压开通。
进一步地，所述的每个绝缘栅双极型晶体管模块还包括：3个电容Ca、C-a1、C-a2，所述的电容Ca一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2之间，电容Ca另一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a3、K-a4之间；所述的电容C-a1与钳位二极管D-a1并联；所述的电容C-a2与绝缘栅双极型晶体管K-a4并联。
上述进一步的有益效果：可以在很宽的负载范围内，实现了外侧绝缘栅双极型晶体管的零电压开关和内侧绝缘栅双极型晶体管的零电流开关，且不受负载范围和输入电压的影响。
进一步地，所述的输入整流模块包括：3个输入整流相单元，所述的3个输入整流相单元相互并联，并联后的共同端分别与储能模块、输出逆变模块连接。
进一步地，所述的控制系统模块包括：旋转变压器、转速环、电压源逆变器、电流传感器；
所述的旋转变压器，用于测量电机的转子磁场位置；
所述的转速环，用于将旋转变压器测量到的电机转速与给定的转速进行比较，并将比较的结果输入PI调节器；
所述的电流传感器，用于测量电机的定子电流；
所述的电压源逆变器，用于根据SVPWM系统单元输出的PMW信号对电机进行电压的变换控制。
上述进一步的有益效果：通过磁链计算的方式快速估计转子初始位置，且精度较高，同时还可以取消速度传感器，也完全能够满足工程实际应用要求。
附图说明
图1为本发明的一种矿用永磁同步电机变频器的结构示意图。
图2为本发明实施例中的输出逆变模块的结构示意图；
图3为本发明实施例中的一种矿用永磁同步电机变频器中的多电平功率变换器拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例中的控制系统模块的结构示意图；
图5为本发明实施例中的控制系统模块中磁链式算法的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示的，本发明的一种矿用永磁同步电机变频器，该高压变频器包括：输入整流模块、储能模块、输出逆变模块、控制系统模块；输入整流模块、储能模块、输出逆变模块三者相互并联；所述的输入整流模块，用于将输入的交流电转换成直流电；所述的储能模块，用于将输入整流模块的电流转换成电能存储，采用超级电容作为储能单元；所述的输出逆变模块，用于将储能模块中的电能转换成交流电输出；所述的控制系统模块，用于控制输入整流模块中的绝缘栅双极型晶体管实现整流，把交流电整流成半波，并通过电容滤波，同时控制输出逆变模块中的缘栅双极型晶体管实现逆变，把直流点变成交流电，驱动电机。
其中，上述的储能模块包括：相互串联的电容C1和C2，电容C1一端P端分别与输入整流模块、输出逆变模块连接，电容C1另一端连接电容C2，电容C2一端N端分别与入整流模块、输出逆变模块连接，电容C2另一端连接电容C1。
上述的输出逆变模块，其包括：3个逆变相单元，所述的3个逆变相单元相互并联，并联后的共同端分别与输入整流模块、储能模块连接。
对于每个逆变相单元来说，其包括：绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块；所述的绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块相互并联。
优选地，如图2所示，所述的绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2、K-a3、K-a4，所述的4个绝缘栅双极型晶体管相互串联；
对于上述所说的钳位二极管模块，其包括：4个钳位二极管D-a1、D-a2、D-a3、D-a4，所述的4个钳位二极管相互串联。每个绝缘栅双极型晶体管模块还包括：3个电容Ca、C-a1、C-a2，所述的电容Ca一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2之间，电容Ca另一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a3、K-a4之间；所述的电容C-a1与钳位二极管D-a1并联；所述的电容C-a2与绝缘栅双极型晶体管K-a4并联。
在变频器稳态工作时，电容Ca的电压恒为母线DC Link电压的一半，以实现内侧绝缘栅双极型晶体管的零电流开关。外侧绝缘栅双极型晶体管K-a1和K-a4利用结电容C-a1和C-a2实现了零电压关断；绝缘栅双极型晶体管的开通和关断过程中对结电容C-a1和C-a2，进行充放电，使K-a1和K-a4两端电压达到零，借此实现外侧绝缘栅双极型晶体管的零电压开通。
这样可以在很宽的负载范围内，实现了外侧绝缘栅双极型晶体管的零电压开关和内侧绝缘栅双极型晶体管的零电流开关，且不受负载范围和输入电压的影响。
对于上述的输入整流模块，其包括：3个输入整流相单元，所述的3个输入整流相单元相互并联，并联后的共同端与储能模块、输出逆变模块连接。
另外，上述的控制系统模块，其包括：旋转变压器、转速环、电压源逆变器、电流传感器；控制系统模块是通过磁链计算的方式对电机转子进行计算的；
所述的旋转变压器，用于测量电机的转子磁场位置；
所述的转速环，用于将旋转变压器测量到的电机转速wref与给定的转速ω进行比较，并将比较的结果输入PI调节器；
所述的电流传感器，用于测量电机的定子电流；
所述的电压源逆变器，用于根据SVPWM系统单元输出的PMW信号对电机进行电压的变换控制。
如图4所示的，本发明所说的控制系统模块，其实际为一种电机矢量控制系统，该系统主要由如下几个部分组成：测量转子磁场位置的旋转变压器；转速环；坐标变换算法；逆变器；SVPWM系统及解耦控制系统等。进行矢量控制的原理是，由转速环将旋变传感器检测到的电机转速wref与给定的ω进行比较，将结果作为PI调节器的输入值。电流传感器采集到的电机的定子电流iA、iB、iC通过反Clark变换转换到两相静止坐标系下得到iα和iβ，再通过反Park变换到两相旋转坐标系下，得到id和iq。将其与电流环给出的定值进行比较，比较后的值作为PI调节器的输入值，PI调节器输出为电压Vd和Vq，将其进行Park逆变换得到静止坐标系下电压和uαuβ，对其进行Clark逆变换，输出电压VA、VB、VC，对其进行SVPWM变换得到PMW信号驱动绝缘栅双极型晶体管，利用PWM的空间矢量特性，使电压源逆变器进行特殊关断顺序，由此达到对电机进行控制的目的。其中，Clark变换是克拉克变换，Park变换是帕克变换，SVPWM系统是空间矢量脉宽调制。
本发明的一种矿用永磁同步电机高压变频器中的多电平功率变换器拓扑结构，如图3所示，图中3左侧ABC是三相输入的交流电，Sa1～Sa4,Sb1～Sb4,Sc1～Sc4是三相整流输入单元的IGBT，Da1和Da2，Db1和Db2，Dc1和Dc2是电压钳位二极管。中间P点是整流滤波后的正点位，N为地点位，O为中性点电位，C1和C2位滤波电容。图中3右侧，同理UVW为电流的输出端，Ka1～Ka4,Kb1～Kb4,Kc1～Kc4是三相逆变输出单元的IGBT，D-a1和D-a2，D-b1和D-b2，D-c1和D-c2是电压钳位二极管,Ca,Cb,Cc和C-a1，C-a2,C-b1,C-b2,C-c1,C-c2是软开关电容。输入整流单元为三电平三相四桥臂结构，输出逆变单元为三电平三相三桥臂结构，输入整流单元，储能单元、输出逆变单元采用直流环节采用有中线连接方式，便于实施中点电位统一控制方法，三相对称交流电压为：
VaVbVc是每一相的电压瞬时值，Vm是电压幅值
合成的电压空间矢量V即为：
令每相桥臂的输出状态的开关量Sa、Sb、Sc的值分别为1、0、-1，则三相桥臂的输出电压表示为：
当Sa＝1时，输出状态为W；当Sa＝0时，输出状态为0。Sa＝-1时，输出的状态为N，因此三个桥臂的开关管能组合出27种参考电压矢量，此时电压的空间矢量为：
V(k)是实时的电压空间矢量；
Sa、Sb、Sc是每相桥臂的输出状态的开关量；
Vdc是母线电压。
如图5所示，
图中没有出现的图标都是现有技术中有的标准图标字母；
图中uα、uβ与iα、iβ分别为定子电压、电流在αβ坐标系下的电压、电流的αβ分量。ψαv、ψβv与ψαi、ψβi分别为电压模型与电流模型估算的定子磁链。
通过电机转子电阻Rs，定子电压、电流在αβ坐标系下的电压、电流的αβ分量uα、uβ与iα、iβ和上一次计算采样的的输入θr进行算法计算，具体计算方式，通过计算得到ψα、ψβ，转子磁链ψ的表达式为：
ψf为永磁体产生的基波磁链
由此可以得到转子位置角的三角函数表达式为：
转速的估算值可以对转子位置角求取一次导数得到：
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于,该变频器包括：输入整流模块、储能模块、输出逆变模块、控制系统模块；输入整流模块、储能模块、输出逆变模块三者相互串联；所述的输入整流模块，用于将输入的交流电转换成直流电；所述的储能模块，用于将输入整流模块的电流转换成电能存储；所述的输出逆变模块，用于将储能模块中的电能转换成交流电输出；所述的控制系统模块，用于控制输入整流模块中的绝缘栅双极型晶体管实现整流，把交流电整流成半波，同时控制输出逆变模块中的缘栅双极型晶体管实现逆变，把直流变成用于驱动电机的交流电，驱动电机。
2.根据权利要求1所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述储能模块包括：相互串联的电容C1和C2，电容C1一端P端分别与输入整流模块、输出逆变模块连接，电容C1另一端连接电容C2，电容C2一端N端分别与入整流模块、输出逆变模块连接，电容C2另一端连接电容C1。
3.根据权利要求1或2所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述输出逆变模块包括：3个逆变相单元，所述的3个逆变相单元相互并联，并联后的共同端分别与输入整流模块、储能模块连接。
4.根据权利要求3所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述每个逆变相单元包括：绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块；所述的绝缘栅双极型晶体管模块、钳位二极管模块相互并联。
5.根据权利要求4所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述的绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2、K-a3、K-a4，所述的4个绝缘栅双极型晶体管相互串联；
所述钳位二极管模块包括：4个钳位二极管D-a1、D-a2、D-a3、D-a4，所述的4个钳位二极管相互串联。
6.根据权利要求5所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述的每个绝缘栅双极型晶体管模块还包括：3个电容Ca、C-a1、C-a2，所述的电容Ca一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a1、K-a2之间，电容Ca另一端连接在绝缘栅双极型晶体管K-a3、K-a4之间；所述的电容C-a1与钳位二极管D-a1并联；所述的电容C-a2与绝缘栅双极型晶体管K-a4并联。
7.根据权利要求1或6所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述的输入整流模块包括：3个输入整流相单元，所述的3个输入整流相单元相互并联，并联后的共同端分别与储能模块、输出逆变模块连接。
8.根据权利要求1所述的一种矿用永磁同步电机变频器，其特征在于，所述的控制系统模块包括：旋转变压器、转速环、电压源逆变器、电流传感器；
所述的旋转变压器，用于测量电机的转子磁场位置；
所述的转速环，用于将旋转变压器测量到的电机转速与给定的转速进行比较，并将比较的结果输入PI调节器；
所述的电流传感器，用于测量电机的定子电流；
所述的电压源逆变器，用于根据SVPWM系统单元输出的PMW信号对电机进行电压的变换控制。
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