CN106849691A - 一种矿用10kv防爆变频器及其控制电动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矿用10KV防爆变频器及其控制电动机的方法，该变频器包括：输入变压器模块与功率单元模块连接；主动控制模块控制功率单元模块；功率单元模块包括：3个相互并联的功率逆变器,功率逆变器并联后共同的输出端与电动机连接；所述的每个功率逆变器包括:5个相互串联的单相变频器单元。该方法包括：数字信号处理器接收开机指令；主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块进行矢量控制调节；主动控制模块控制功率单元模块输出相应的PWM波形，从而控制电动机。通过本发明使得变频器的结构简单，适用于10KV的高压输入，变频器的输出电压波形非常接近正弦波，所以不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动的问题，变频器的控制可靠性高。

Description

一种矿用10KV防爆变频器及其控制电动机的方法
技术领域
本发明涉及矿用变频器技术领域，尤其涉及一种矿用10KV防爆变频器及其控制电动机的方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的飞速发展，变频器已经越来越广泛的应用在很多领域，例如各种纺织、机械、照明、计算机控制等，同时也应用在煤矿井下各个电气设备中。矿用变频器以电网能量为驱动能源，用于驱动专用电动机，矿用变频器在通、排、压、提等矿井上的四大工况和煤矿井下釆、掘、运等设备机械系统中得到了广泛的应用，而由于现在的煤矿井下恶劣的工作环境，势必对变频器有更高的要求，目前的变频器桥臂直接串联结构是较为成熟的两电平结构,但由于受功率器件耐压的限制,逆变器桥臂需多个功率器件直接串联,由于各器件的动态电阻、极电容各不相同,存在稳态和动态的均压问题，而变频器采用三电平结构则谐波畸形仍较大,需输出滤波器，不易实现冗余设计，对功率器件耐压要求较高,输出电压等级受一定限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前的变频器中动态电阻、极电容各不相同,存在稳态和动态的均压问题，另外采用三电平结构则谐波畸形仍较大,需输出滤波器，不易实现冗余设计，对功率器件耐压要求较高,输出电压等级受一定限制。
为解决上面的技术问题，本发明提供了一种矿用10KV防爆变频器，包括：变频器，该变频器包括：输入变压器模块、功率单元模块、主动控制模块；所述的输入变压器模块与功率单元模块连接；主动控制模块控制功率单元模块；所述的功率单元模块包括：3个相互并联的功率逆变器,所述的功率逆变器并联后共同的输出端与电动机连接；所述的每个功率逆变器包括：5个相互串联的单相变频器单元。
上述进一步的有益效果：由于每个功率逆变器构造相同，便于模块化设计和制造，系统可靠性高，另外还由于这种电路可以使变频器的输出电压波形非常接近正弦波，所以不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动的问题，可以使用普通的高压异步电动机，且电动机在正常的调速范围内对电网谐波污染小，此外功率单元有足够的滤波电容,能承受电压较大波动，功率单元模块化,容易实现冗余设计,保证个别功率单元故障时不影响整机工作。
进一步地，所述的单相变频器单元包括：输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块、隔离驱动模块；所述的输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块依次连接；绝缘栅双极型晶体管模块还与旁路开关连接；隔离驱动模块控制绝缘栅双极型晶体管模块的开与断。
上述进一步的有益效果：当单相变频器单元出现故障时，通过旁路开关把坏的模块旁路掉，不会影响整个变频器的工作，其余的单相变频器单元可不间断供电，以减少生产损失。
进一步地，所述的绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个晶体管单元，所述的4个晶体管单元呈H桥型连接。
进一步地，所述的每个晶体管单元包括：绝缘栅双极型晶体管、体二极管、软开关电容；所述的绝缘栅双极型晶体管、体二极管、电容三者相互并联，并联后共同的输出端接旁路开关，并联后共同的输入端分别接相序模块输入端和滤波电容模块输入端。
上述进一步的有益效果：利用软开关电容技术将交流电动机启动和加速过程中的冲击电流进行减小，使得电动机传动系统在低速时无级平稳调速，减少电流冲击，减小对电网的危害。
进一步地，所述的旁路开关一端连接在构成H桥型一旁的两个晶体管单元之间，旁路开关的另一端连接在构成H桥型另一旁的两个晶体管单元之间。
进一步地，所述的滤波电容模块包括：共模信号滤波电容与差模信号滤波电容，所述的共模信号滤波电容与差模信号滤波电容相互并联，并联后共同的输出端一端接绝缘栅双极型晶体管模块。
进一步地，所述的输入相序模块包括：多个三相不控二极管，所述的三相不控二极管相互并联，并联后共同的输入端分别接滤波电容模块的输入端和绝缘栅双极型晶体管模块的输入端。
本发明的有益效果：5串3并的结构适合10kv电压下的高压变频器设计，对电动机的速度调节灵活方便，精度髙，平稳性好，减少对机械的冲击，能够实现高精度的转矩控制，同时还降低了装置的成本，减少了设备的维护，延长了设备的使用寿命。
本发明还涉及一种矿用10KV防爆变频器控制电动机的方法，该方法包括如下步骤：
S1，判断当前是否满足开机条件；
S2，当满足开机的条件时，数字信号处理器输出准备信号，并同时接收当地或者远方传递的开机指令；
S3，根据接收到的开机指令，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块进行矢量控制调节；
S4，主动控制模块控制功率单元模块输出相应的PWM波形，从而控制电动机。
进一步地，所述S2中还包括：当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况的信号后，主动控制模块控制电动机进行停机循环。
上述进一步的有益效果：控制方式相对简单,因每一级结构的相同性,便于对每一级进行PWM控制,然后进行波形重组，输入谐波小,输入功率因数高，输出波形良好,谐波分量小,dy/dt小,电机转矩脉动小,噪音低。
进一步地，所述S2中，当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况后，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块先进行矢量控制降压，再进行恒频降压。
本发明的有益效果：由于这种电路可以使变频器的输出电压波形非常接近正弦波，所以不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动的问题，可以使用普通的高压异步电动机，而且在正常的调速范围内对电网谐波污染小。
附图说明
图1为本发明的一种矿用10KV防爆变频器的示意图；
图2为本发明的一种矿用10KV防爆变频器控制电动机的方法流程图；
图3为本发明的单相变频器单元的结构示意图；
图4为本发明的主动控制模块的结构示意图；
图5为本发明的主动控制模块的程序控制流程图；
图6为本发明的每相功率逆变器的结构示意图。
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。
实施例1
如图1所示，本发明的一种矿用10KV防爆变频器，该变频器包括：输入变压器模块、功率单元模块、主动控制模块；所述的输入变压器模块与功率单元模块连接；主动控制模块控制功率单元模块；所述的功率单元模块包括：3个相互并联的功率逆变器,所述的功率逆变器并联后共同的输出端与电动机连接；所述的每个功率逆变器包括：5个相互串联的单相变频器单元。
采用这样的方法因为每个功率逆变器构造相同，便于模块化设计和制造，系统可靠性高，另外还由于这种电路可以使变频器的输出电压波形非常接近正弦波，所以不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动的问题，可以使用普通的高压异步电动机，且电动机在正常的调速范围内对电网谐波污染小，此外功率单元有足够的滤波电容,能承受电压较大波动，功率单元模块化,容易实现冗余设计,保证个别功率单元故障时不影响整机工作。
优选地，单相变频器单元包括：输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块、隔离驱动模块；所述的输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块依次连接；绝缘栅双极型晶体管模块还与旁路开关连接；隔离驱动模块控制绝缘栅双极型晶体管模块的开与断。
另外，如图6所示，每相功率逆变器是由五个串联起来的单相变频器单元，每一组就是由单相变频器单元串联而成的共同输出端，按星形连接成三相输出，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。电网输入的10KV电压经过输入隔离变压器将三相进线的电源电压转换成十五个独立的交流电源，为十五个单相变频器单元供电，每个单相变频器单元提供五分之一的相电压。变频器的额定输入电压10kV，则每个单相变频器单元的额定电压应为1154V变频器的输出相电压为1154V，适合选择相应电压等级的功率器件和电容期间。每个单相变频器单元的电压等级和每相功率器件的串联数量决定了变频器的输出电压，单相变频器单元的额定电流决定变频器的输出电流。
如图6中的第一个V01单元，R、S、T接入三相火线的输入端(在电机侧一版表示U、V、W，在高压侧的变频器领域一般用R.S.T表示，所以R.S.T成组出现时R表示三相火线的一相)，例如图中的第一个模块的R14、S2、T1为10kv火线三相输入，其中D1、D2、D3、D16、D17、D18为三相整流单元，分别是6个整流二极管。C1和C13为Y电容是分别跨接在电力线两线和地之间，一般是成对出现共模信号滤波电容。此处的R11和R17为分压电阻。C10是整流后的差模信号滤波电容。Q3，Q4，Q9，Q10是IGBT。K1是旁路开关，其它的单元与V01单元串联的，其单元的所有部件与V01单元完全相同。
如图3所示，一个单相变频器单元的结构示意图，其中R、S、T指的是电源的输入相序，D1、D2、D3、D16、D17、D18为三相不控二极管整流。C1和C13是共模信号滤波电容，C10是差模信号滤波电容，Q3、Q4、Q9、Q10四个IGBT构成H桥。C4、C5、C16、C17为软开关电容，起到IGBT开通和关断时的保护作用，可以抑制开通和关断的dV/dt，取值为1n/2000V。通过DSP内部程序产生PWM信号，通过隔离驱动模块控制Q3、Q4、Q9、Q10四个IGBT的开通和关断。K1是旁路开关，当该单元损坏时，该单元可通过K1旁路掉，而系统可以继续工作不停机。
当单相变频器单元出现故障时，通过旁路开关K1把坏的模块旁路掉，不会影响整个变频器的工作，其余的单相变频器单元可不间断供电，以减少生产损失。
另外，绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个晶体管单元，所述的4个晶体管单元连接构成H桥型。
优选地，每个晶体管单元包括：绝缘栅双极型晶体管、体二极管、软开关电容；所述的绝缘栅双极型晶体管、体二极管、电容三者相互并联，并联后共同的输出端接旁路开关，并联后共同的输入端分别接相序模块输入端和滤波电容模块输入端。
对于上述利用软开关电容技术将交流电动机启动和加速过程中的冲击电流进行减小，使得电动机传动系统在低速时无级平稳调速，减少电流冲击，减小对电网的危害。
优选地，旁路开关一端连接在构成H桥型一旁的两个晶体管单元之间，旁路开关的另一端连接在构成H桥型另一旁的两个晶体管单元之间。
优选地，滤波电容模块包括：共模信号滤波电容与差模信号滤波电容，所述的共模信号滤波电容与差模信号滤波电容相互并联，并联后共同的输出端一端接绝缘栅双极型晶体管模块。
优选地，输入相序模块包括：多个三相不控二极管，所述的三相不控二极管相互并联，并联后共同的输入端分别接滤波电容模块的输入端和绝缘栅双极型晶体管模块的输入端。
上述变频器的应用减少了电流接触器和调速电阻，使得系统的稳定性有所提高，减少了散热和噪声，另外变频器对电动机的速度调节灵活方便，精度髙，平稳性好，减少对机械的冲击，能够实现高精度的转矩控制，同时还降低了装置的成本，减少了设备的维护，延长了设备的使用寿命。
实施例2
如图2所示，本发明还涉及一种利用矿用防爆变频器的控制电动机方法，该方法包括如下步骤：
S1，判断当前是否满足开机条件；
S2，当满足开机的条件时，数字信号处理器输出准备信号，并同时接收当地或者远方传递的开机指令；
S3，根据接收到的开机指令，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块进行矢量控制调节；
S4，主动控制模块控制功率单元模块输出相应的PWM波形，从而控制电动机。
优选地，本方法还包括：当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况的信号后，主动控制模块控制电动机进行停机循环。
采用上述的控制方式相对简单,因每一级结构的相同性,便于对每一级进行PWM控制,然后进行波形重组，输入谐波小,输入功率因数高，输出波形良好,谐波分量小,dy/dt小,电机转矩脉动小,噪音低。
优选地，当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况后，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块先进行矢量控制降压，再进行恒频降压。
串联单元数为Lx＝5,则各串联单元采用同一调制波信号M(t)(如下图的正弦波，频率为ωm),而串联各单元的三角载波频率为kcωm,实现移相的实质就是将各三角载波的相位彼此错开载波周期的1/Lx,即:ΦLc＝Φc+2πL/Lx,kc/km＝5,幅度调制比m＝0.8。
由Lx个串联单元组合而成的变流器,若采用同一调制波M(t)，各级联单元的三角载波相位彼此错开2π/Lx各级联单元输出波形的傅立叶级数展开式的差别仅仅在于载波的初始相位不同而第L个级联单元三角载波的相位角为:Φc+2πL/Lx其输出波形的双重傅立叶级数表达式为
因此,由Lx个级联单元输出波形叠加得到的总输出波形傅里叶级数为:
若m取值为Lx的整数倍时,可以得到下面两个等式
若m取值为其他整数时,则会得到下面两个等式
所以，由Lx个级联单元叠加后总的输出波形的傅立叶级数表达
如图4所示的，本发明变频器中的主控制模块，主控制模块的主控芯片采用美国TI公司TMS320F28335高性能的微处理器，利用DSP完成控制算法，产生和发送单元控制信号，驱动电路主控芯片采用CPLD复杂可编程逻辑器件，利用CPLD产生多路SPWM控制脉冲去驱动IGBT的工作。
它由DSP(型号TMS320F28335)作为算法实现部分，主要是电机驱动的矢量控制算法和电机参数识别算法。DSP通过ARM单片机专门处理继电器控制和传感器信号检测保护部分。
DSP用于完成控制算法，并产生和发送单元控制信号。DSP内部实现驱动IGBT的逻辑信号要求，逻辑信号要求通过CPLD解析驱动单元模块的实际信号。利用CPLD产生多路SPWM控制脉冲去驱动IGBT的工作，其中CPLD为复杂可编程逻辑器件，DSP为数字信号处理。
通用的模拟量输入和输出信号直接进入DSP芯片参与计算。同时DSP通过串口通信于服务器和上位机面板交互。同时DSP控制ABB系列的PLC，PLC通过外部IO接口对系统供电点进行控制
如图5所示的，本发明变频器中的主控制模块应用的主控制程序，首先通上电进入启动状态，DSP通过程序计算，控制pLC进行外设的IO配置，然后进入服务器和上位机面板通信的环节，DSP与服务器和面板进行信号通信，并开始测试电路是否处于正常状态，即测试系统是否有过压和过流的故障存在，如果系统正常则进入上位机发送电机启动命令状态，如果不处于故障则返回服务器和通信阶段。
系统给电机启动命令后进入运行模式分析，按照目标设定的速度进行FOC控制电机运行，实时的进行通信和电流采样，读取电机速度，并进行故障保护的实时监测。如果有故障则报警并用VF方式变频降压运行，再恒频降压运行直到停止。
如果没有故障则实时监测系统是否有信号异常，如果有有异常则报警进入停机指令状态，如果有没有异常则接触报警。如果没有停机指令则电机继续运行。
主程序由三个循环构成：首先是开机前的循环，主要判断开机前外围准备是否准备好了，如果满足开机条件的话,DSP数字信号处理器就输出准备就绪信号，等待接收当地或者与远方开机指令；当收到了外部的开机指令后程序就进入到调节运行循环，检测运行模式并根据相应的模式进行FOC调节，输出相应的PWM波形；当DSP接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况，就进入到停机循环，先进行FOC降压处理，降到10HZ后进行恒频降压。其中，FOC(field-oriented control)为磁场导向控制，又称为矢量控制(vectorcontrol)，是一种利用变频器(VFD)控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。
软开关：使开关器件被施加驱动信号而开通过程中的端电压为零，这种开通称为零电压开通；使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程中承载的电流为零，这种关断称为零电流关断。
开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称为软开关。即零电压开通和零电流关断是最理想的软开关，所谓软开关就是功率器件在零电压条件下导通(或关断)，在零电流条件下关断(或导通)。与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗大大减小。
与此同时，du/dt和di/dt大为下降，提高了变换器的可靠性，由于软开关开关损耗很小，与硬开关相比，它可以工作于较高的工作频率，因此减小变换器的体积和重量，同时提高变换器的变换效率。
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 (10)

1.一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于,该变频器包括：输入变压器模块、功率单元模块、主动控制模块；所述的输入变压器模块与功率单元模块连接；主动控制模块控制功率单元模块；所述的功率单元模块包括：3个相互并联的功率逆变器,所述的功率逆变器并联后共同的输出端与电动机连接；所述的每个功率逆变器包括:5个相互串联的单相变频器单元。
2.根据权利要求1所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的单相变频器单元包括：输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块、隔离驱动模块；所述的输入相序模块、滤波电容模块、绝缘栅双极型晶体管模块依次连接；绝缘栅双极型晶体管模块还与旁路开关连接；隔离驱动模块控制绝缘栅双极型晶体管模块的开与断。
3.根据权利要求2所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的绝缘栅双极型晶体管模块包括：4个晶体管单元，所述的4个晶体管单元呈H桥型连接。
4.根据权利要求3所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的每个晶体管单元包括：绝缘栅双极型晶体管、体二极管、软开关电容；所述的绝缘栅双极型晶体管、体二极管、电容三者相互并联，并联后共同的输出端接旁路开关，并联后共同的输入端分别接相序模块输入端和滤波电容模块输入端。
5.根据权利要求2、3或4所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的旁路开关一端连接在构成H桥型一旁的两个晶体管单元之间，旁路开关的另一端连接在构成H桥型另一旁的两个晶体管单元之间。
6.根据权利要求2、3或4所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的滤波电容模块包括：共模信号滤波电容与差模信号滤波电容，所述的共模信号滤波电容与差模信号滤波电容相互并联，并联后共同的输出端一端接绝缘栅双极型晶体管模块。
7.根据权利要求2所述的一种矿用10KV防爆变频器，其特征在于，所述的输入相序模块包括：多个三相不控二极管，所述的三相不控二极管相互并联，并联后共同的输入端分别接滤波电容模块的输入端和绝缘栅双极型晶体管模块的输入端。
8.一种利用权利要求1至7中任一所述一种矿用10KV防爆变频器控制电动机的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1，判断当前是否满足开机条件；
S2，当满足开机的条件时，数字信号处理器输出准备信号，并同时接收当地或者远方传递的开机指令；
S3，根据接收到的开机指令，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块进行矢量控制调节；
S4，主动控制模块控制功率单元模块输出相应的PWM波形，从而控制电动机。
9.根据权利要求8所述的一种矿用10KV防爆变频器控制电动机的方法，其特征在于，所述S2中还包括：当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况的信号后，主动控制模块控制电动机进行停机循环。
10.根据权利要求9所述的一种矿用10KV防爆变频器控制电动机的方法，其特征在于，所述S2中，当数字信号处理器接收到停机指令或者运行过程中出现需要停机的情况后，主动控制模块开启循环检测运行模式对功率单元模块先进行矢量控制降压，再进行恒频降压。
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