CN1641994A - 驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器 - Google Patents

Abstract

一种驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器，包括：整流电路(11)，将低压工频交流电整流成直流电；逆变电路(12)，输出低压低频的PWM交流电；变频器控制单元(8)，对逆变电路等进行控制；本发明的低压低频变频器的控制系统是内部变结构的，其输出电压是特殊的PWM低压直流电压和低压低频的PWM交流电，采用间断投切运行模式，仅在矿井提升机高压绕线异步电动机处于减速制动阶段和低速爬行阶段时，与高压绕线异步电动机通过高压开关相连接，直接驱动高压绕线异步电动机。采用本发明的低压低频变频器所构成的矿井提升机系统，具有直流动力制动和低频爬行驱动力矩均比较大、而成本低廉的优点。

Description

驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器

技术领域

本发明涉及一种直接驱动矿井提升机的高压绕线异步电动机的低压低频变频器，特别是涉及一种仅在矿井提升机的高压绕线异步电机处于减速制动状态下，投入运行的变频器，该变频器直接驱动矿井提升机的高压绕线异步电机运行在低频爬行的工作状态下。

背景技术

目前在国内的煤矿中，大多数矿井提升机系统采用高压绕线异步电动机作为主拖动电机。采用高压绕线电机转子串、并联电阻方式对电机的启动和调速过程进行控制，是控制高压绕线电机的减速阶段和低频爬行阶段传统的控制方式。下面结合附图作进一步的说明：

例如在1991年11月27日公告的实用新型专利ZL91204501.9中提出了一种矿井提升机用微机控制可控硅无环流交-交低频电源装置。参见图3，图3是矿井提升机低压晶闸管交--交变频器传动的原理图。该装置虽然兼顾制动和低频爬行的两个阶段，但是由于交---交变频器输出必须为低频低压，其电压的限制使电机的电磁制动转矩较小，导致制动时间过长，同时交---交变频器在低频时功率因数很低，谐波含量大会对电网会造成较大的污染。也限制了其应用。同时交---交变频器由于结构复杂，占地面积很大需要价格昂贵的平衡电抗器也限制了其应用。

又如图2，图2是矿井提升机晶闸管直流动力制动和低频发电机驱动的组合方式原理图。在减速制动时，采用晶闸管整流将直流电通到高压绕线电机的绕组中使电动机变为发电机，进行动力制动。将机械能变为电能消耗在转子电阻上。在爬行区时，采用接触器切换将直流动力制动电源脱开，接入低频爬行电源，常规的低频发电机组，由于体积大、效率低、使用维护复杂，目前使用受到一定的限制。

国内也有采用高压变频器直接驱动高压电机拖动矿井提升机，但是这种传动方式价格更加昂贵，而且一般高压变频器在减速制动阶段不带回馈制动单元，节能效果较差。

另外，在2002年10月9日公告的实用新型专利ZL01269016.3中提出了提升机智能化调频调速拖动装置，该装置主要包括数字化低频电源供电电路，变频器电路，变频器制动单元电路，高压真空换向器电路和“S”化频率给定环节；变频器制动单元电路由制动单元DB1并接电阻R组成。该装置由于在高速制动区域输出的是交流电，受到变频器输出电压的限制，以及制动单元DB1并接电阻R功率的限制，在高速区制动能力受到很大的限制。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种低压低频变频器，能够在减速制动阶段直接驱动高压绕线异步电动机，同时兼顾矿井提升机的直流动力制动和低频爬行状态的传动装置。

为了解决上述技术问题，根据本发明，提供一种驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器，其中包括：整流电路，将低压工频交流电整流成直流电；逆变电路，输出低压低频的PWM交流电；变频器控制单元，对逆变电路进行控制；电流传感器，检测逆变电路输出的相电流值；电流变送器，将电流传感器检测到的相电流值变送到变频器控制单元；

本发明所述低压低频变频器的控制系统是内部变结构的，其输出电压是特殊的PWM低压直流电压和低压低频的PWM交流电，采用间断投切运行模式，仅在矿井提升机高压绕线异步电动机处于减速制动阶段和低速爬行阶段时，与高压绕线异步电动机通过高压间断投切开关相连接，直接驱动高压绕线异步电动机；

在所述低压低频变频器接入的起始时间内，输出可调节的低压直流电压，使高压绕线电机在高速旋转情况下直接进入可调节减速度直流制动状态，当高压绕线电机的速度降低到矿井提升机低频爬行区域时，自动切换到低频驱动状态；

在直流制动的状态下，变频器的转速给定值ω^*是以一定斜率下降的减速度，该减速度的给定值ω^*与转速传感器测得的实际电机转速值ω进行偏差运算，把该偏差值送入PI调节器进行运算，其输出值是直流制动电流的给定值I^*，把该电流给定值与电流传感器测得的实际直流电流值I进行偏差运算，把该偏差值送入PI调节器进行运算，其输出值是直流制动电压的给定值U^*，把该直流电压给定值采用如下的两种方法进行运算处理，方法一是把直流制动电压的给定值U^*直接与三相电压给定值的其中任意一相连接，把直流制动电压的给定值U^*与-1相乘，然后送入剩余二相中的任意一相的给定值，最后的一相的给定值为零；方法二是把直流制动电压的给定值U^*直接与三相电压给定值的其中任意一相连接，把直流制动电压的给定值U^*与-1/2相乘，送入其余两相的给定值，变频器的三相电压控制值都按照上述的规律之一得到给定值后，把该值与PWM波发生器相连接，得到直流的PWM斩波电压控制信号，把该控制信号去驱动三相桥式逆变器的IGBT模块，就得到输出直流电流和电压可以调节直流电，进行直流动力制动，

该低压低频变频器检测到高压绕线异步电动机的速度降低到矿井提升机低频爬行区域时，并且低压低频变频器接受到爬行工作的主令信号后，自动切换到低频驱动状态，其切换过程为，首先，让变频器的电压给定值置零，IGBT器件处于(000)状态，把电机内部的直流磁场进行快速灭磁，灭磁延迟时间持续时间不超过电机的转子时间常数，然后低压低频变频器进入低频爬行的矢量控制模式，为了避免电机的电磁振荡过程，变频器的电压给定值u_d ^*、u_q ^*分别经过一阶惯性环节，然后再进行坐标变换，形成三相电压的给定值，该给定值驱动三相PWM发生器，产生PWM信号，驱动三相IGBT逆变器，对高压绕线异步电动机进行矢量控制。

作为本发明的一个优选方案，所述低压低频变频器采用交流690V以下的低压交流电压等级660V、440V、400V、380V；该变频器仅在提升机的减速阶段和低速爬行阶段接入，与高压绕线异步电动机之间采用直接连接的方式，无需升压变压器。

作为本发明的另一个优选方案，所述低压低频变频器的功率器件采用集电极-发射极耐压为1700V、1400V、1200V、600V的IGBT、IPM的功率半导体模块。

作为本发明的另一个优选方案，所述低压低频变频器的起始直流电压是可以用PWM波进行斩波调压的，在起始阶段是以一个合适的斜率快速升压的，以减少直流制动起始电流，在直流制动的中间阶段采用减速度和电流双闭环控制，同时，高压绕线电机转子侧的串联电阻必须连接在转子电路上，把直流制动产生的电能大部分消耗在转子外部的电阻回路中，同时转子电阻有利于产生稳定的直流制动转矩，在直流制动的末端采用合适的斜率快速降压灭磁。

作为本发明的另一个优选方案，所述低压低频变频器的接入与高压交流接入存在互锁关系，即当变频器接入时高压交流断开；当高压交流接入时变频器断开，状态切换的暂态过程中存在死区关系，即在由高压转换到低压中有一个时间延迟，死区时间可以调节。

作为本发明的另一个优选方案，所述低压低频变频器具有过电压、欠电压、过流、短路和元件过热保护功能。

作为本发明的进一步改进，在高压绕线异步电动机处于爬行阶段时，为了简化控制系统，或者采用变压变频的VVVF开环控制方式。

采用本发明的低压低频变频器，所构成一种兼顾矿井提升机的直流动力制动和低频爬行传动有较大的制动力矩和驱动力矩的同时，成本又很低廉的低压、低频变频控制矿井提升机系统。同时解决了矿井提升机的直流动力制动和低频爬行时的变频调速问题，采取本发明的自动控制后，可以将休止时间降低5秒，将现有的爬行时间减少10秒，从而使提升机提升周期由原来交-交可控硅控制的提升周期92.81秒下降到现在的73.14秒。本系统采用电流、速度双闭环的协调控制使提升机的提升速度严格按照设定的速度运行，由于信号传输采用的是数字信号，可以实现精确调速，在进入爬行阶段爬行的速度基本不受负载大小的影响，可将爬行距离从现在的10m降到5m。可以实现每小时的提升次数达到36次(现在的提升次数仅在30次左右)，大大的提高矿井提升机的日总提升产量。本系统不仅在电压由高压向低压低频制动的转换过程中省去了一个变压器，而且与以往的晶闸管控制系统相比具有结构简单，占地面积小，控制特性好等特点，又具有易安装、可靠性高，适合不同工业现场的要求等特点，对系统进行改造时只需在原有系统的基础上进行少量的改造就可以将原有系统改造成为新型系统，可以大大缩短改造的周期。还可以根据负载的不同改变减速度的大小，以适合不同情况下系统的要求。采用双闭环的速度、电流反馈控制可以使提升机的制动速度在很宽的范围内变化。

本发明与晶闸管直流动力制动控制、低压晶闸管交--交变频器控制、高压变频器直接驱动控制等三种方式相比较，无论是在控制缩短循环周期提高日产量方面，还是在节约投资方面都是最优的，同时可靠性也比以往的系统得到了很大的提高，并且维护也非常方便。是对现有矿井提升系统进行改造的最佳方案，同时也为未来提升机系统的发展指明了方向。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，在附图中：

图1是根据本发明的驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器系统方框图。

图2是已有技术中的矿井提升机晶闸管直流动力制动和低频发电机驱动组合方式的原理图。

图3是已有技术中的矿井提升机低压晶闸管交--交变频器传动的原理图。

图4是根据本发明的变频器控制单元原理图。

图5是根据本发明的实施例的矿井提升机的速度与力图。

图6是根据本发明的实施例的直流制动定子电流仿真波形图。

图7是根据本发明的实施例的直流制动和爬行定子电流仿真波形图。

图8是根据本发明的实施例的电磁转矩仿真波形图。

图9是根据本发明的实施例的制动及爬行阶段角速度仿真波形图。

具体实施方式

参见图1，图1是根据本发明的驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器系统方框图，采用本发明的矿井提升机系统具有直流大力矩制动和低频矢量控制大转矩爬行环节，系统由一台高压绕线异步电动机1(型号为YR800-12/1430)、负载电阻2、高压工频交流电网3、高压切换高压开关4、高压间断投切开关5、控制用的低压低频变频器7构成。以一个在煤矿矿井深为368米的矿井中运行情况为例。选用K4型给煤机和液压张紧式钢丝绳罐道，箕斗为12t的标准斗。将原有的数控可控硅交-直-交变频调速改为新型的DSP控制IGBT的低压低频直流制动和低频爬行系统。

对应图1与图9，在零时刻高压开关4闭合，高压间断投切开关5被互锁处于断开状态，提升机开始加速运行，加速度为0.5m/s²，此时，负载电阻2全部串入转子两端，减小定子内电流，增大启动时转矩，经3.33秒后，减小传串入转子的电阻，提升机的以0.7m/s²加速度升速，当速度达到7.27m/s时，这时将全部的投切电阻都断开，提升机进入最大速度匀速运行阶段。经过38.87秒运行后，提升高度达到321.2米，高压开关4断开，延迟约为0.015秒后高压间断投切开关5闭合，同时自动的控制将负载电阻2接入电机两端，并同时由DSP控制IGBT的触发脉冲使变频器的输出为一个可控的直流电压(如图4变频器控制单元原理图)，此时提升机进入直流制动阶段，延迟电路是本专利的一个重要组成部分，如果没有延迟，将会对系统很大的冲击电流，烧坏低频变频器的管子，并且为了防止开关误动作，在触发信号选择电路上加入逻辑与采样保持电路，确保电路在转入低频运行后不会由于转速的波动引起的开关误动作，为了使提升机制动时间精确控制在一定的范围内，采用电流、速度双闭环的调节作用自动控制调节输出制动直流电压的大小，从而控制制动的转矩，使提升机减速时的加速度与给定的加速度相一致。这个双闭环反馈控制，可以精确地将减速时的加速度保持为1.254m/s²，从而实现对提升机制动过程速度的精确控制。经过5秒，电机的速度降低到1m/s。此时，当控制回路中的检测元件检测到电机转速低于给定值时，PWM触发脉冲输入信号由整流信号变为0信号，给触发电路一段延时，消除电机定子内部的直流分量磁链，防止在电机运行状态由直流制动转为低频交流爬行时转速的振荡，延迟后电路由低压直流制动转变为低频交流爬行阶段，触发电路切换为低频后，触发电路输出信号经过一系列逻辑运算和约0.2s的延迟后输出，保障了电机由直流制动状态转变成为低压低频时的矢量控制异步电动状态，同时自动控制负载电阻断开，此时系统进入到爬行阶段，在此过程中仍采用速度、电流双闭环对提升机的爬行速度进行自动控制，使提升机运行于给定速度，经过10秒就可以完成整个爬行过程，爬行过程结束后，重新进入直流制动状态，直到停车为止，在停车时，变频器仍然输出直流电，起到停车定位作用，直到下一次启动。采用本发明后，提升机的爬行过程与传统的提升系统相比在制动阶段和爬行阶段可以节省14.67秒时间。本发明采用自动控制系统休止时间可以使原有系统的休止时间减少5秒。从而进一步减小了循环的时间。可以将循环次数从以往的30次提升到每小时36次。

该系统的运行过程可进一步描述如下：开始时将转子串联电阻2接到电路中闭合高压开关4提升机开始进入升速阶段，利用“电流加时间”的原则切换接到转子电阻，实现分级调速使提升机的转速逐渐达到稳定值。提升机由匀速运行提升状态转换到制动运行状态的过程中，在高压开关4断开的瞬间电机内残留有很高的电磁密度，造成此时电机两端仍保持很高的电压。为了使这个电压不影响低压变频器的投切工作，需要进行延时，延时后自动控制高压间断投切开关5闭合，同时自动将负载电阻2投切到电路中，进入电机的直流制动阶段，制动阶段和低压低频爬行阶段的变频器控制单元原理图，如图4所示。根据提升机减速时对减速度的要求，由DSP软件编程对IGBT的触发脉冲进行控制，第一组IGBT输入的为占空比可控的触发脉冲，在第二组IGBT中输入一个相反的信号使其下桥的导通状态与第一组的上桥导通状态相一致，给第三组IGBT一个0信号使之处于常闭的状态。从而形成一个从第一相经过电机的定子绕组到第二相的相间直流电压(如图8所示)。由此，可以根据对减速度的要求来控制第一组IGBT输入信号的占空比，从而可以控制输出直流电压的大小。通过改变通入电机定子中的直流电压大小可以改变电机内部励磁磁场的强弱，从而可以改变电机的制动力矩，使高压绕线电机在高速旋转情况下直接进入可调节减速度的直流制动状态，通过速度、电流双闭环的调节作用可以根据给定速度的要求对输出电压的大小进行自动调节。在减速过程中不断将检测到的转速值与设定的爬行速度值相比较，当检测到的速度信号值降到与爬行的速度值相等时改变输入到IGBT的触发脉冲，将原有控制直流输出的控制系统改变由矢量控制的三相交流输出的控制系统，为了保证定子所加的电压由直流电压平稳的过渡到三相交流电压，在电压转变的过程中有一个不大于转子时间常数的时间延迟，在延迟过程中输送给IGBT一个0信号，使变频器的输出电压为零，使定子有一个短时间的放电过程，当放电结束时控制送给IGBT新的触发脉冲，输出为三相交流电压，使电机工作于矢量控制的异步电动状态，同时将制动负载电阻断开，自动切换到低频驱动状态。由此提升机进入低速爬行阶段，依靠双闭环调节作用来控制PWM波的输出，控制电机定子电流的频率，不断改变提升机的电磁转矩。使提升机在爬行阶段保持稳定的运行速度，直到将箕斗中的煤全部卸掉为止，如图9制动及爬行过程角速度仿真波形图和图8制动及爬行过程的电磁转矩仿真波形图。然后根据设定的减速度值，重新进入到直流制动状态，由双闭环反馈直流制动控制提升机的减速度值，再次进入减速阶段直到电机的转速为零，提升机停车，保持PWM直流电流，进行提升机定位，直到重新启动。

Claims (8)

1、一种驱动矿井提升机高压绕线异步电动机的低压低频变频器，包括：

一个整流电路(11)，将低压工频交流电整流成直流电；

一个逆变电路(12)，输出低压低频的PWM交流电；

一个变频器控制单元(8)，对所述逆变电路进行控制；

两个电流传感器(10、10)，检测所述逆变电路输出的相电流值；

一个电流变送器(9)，将所述电流传感器检测到的相电流值变送到所述变频器控制单元；

其特征在于，该低压低频变频器(7)由低压工频交流电网(13)供电，通过高压间断投切开关(5)与高压绕线异步电动机(1)连接，其控制系统是内部变结构的，其输出电压是特殊的PWM低压直流电压和低压低频的PWM交流电，采用间断投切运行模式，仅在矿井提升机高压绕线异步电动机(1)处于减速制动阶段和低速爬行阶段时，与高压绕线异步电动机通过高压间断投切开关(5)连接，直接驱动高压绕线异步电动机(1)；

该低压低频变频器(7)接入的起始时间内，输出可调节的低压直流电压，使高压绕线异步电动机(1)在高速旋转情况下直接进入可调节减速度直流制动状态，当高压绕线异步电动机(1)的速度降低到矿井提升机低频爬行区域时，自动切换到低频驱动状态，在低频驱动状态结束后重新进入可调节减速度直流制动状态，直到电机停车，在停止状态下变频器仍然输出直流电，直到电机进入下次启动为止；

在直流制动的状态下，变频器的转速给定值ω^*是以一定斜率下降的减速度，该减速度的给定值ω^*与转速传感器(6)测得的实际电机转速值ω进行偏差运算，把该偏差值送入PI调节器(31)进行运算，其输出值是直流制动电流的给定值I^*，把该电流给定值与电流传感器测得的实际直流电流值I进行偏差运算，把该偏差值送入PI调节器(30)进行运算，其输出值是直流制动电压的给定值U^*，把该直流电压给定值采用如下的两种方法进行运算处理，方法一是把直流制动电压的给定值U^*直接与三相电压给定值的其中任意一相连接，把直流制动电压的给定值U^*与-1相乘，然后送入剩余二相中的任意一相的给定值，最后的一相的给定值为零；方法二是把直流制动电压的给定值U^*直接与三相电压给定值的其中任意一相连接，把直流制动电压的给定值U^*与-1/2相乘，送入其余两相的给定值，变频器的三相电压控制值都按照上述的规律之一得到给定值后，把该值与PWM波发生器相连接，得到直流的PWM斩波电压控制信号，把该控制信号去驱动三相桥式逆变器的IGBT模块，就得到输出直流电流和电压可以调节直流电，进行直流动力制动，

该低压低频变频器(7)检测到高压绕线异步电动机(1)的速度降低到矿井提升机低频爬行区域时，并且低压低频变频器(7)接受到爬行工作的主令信号后，自动切换到低频驱动状态，其切换过程为，首先，让变频器的电压给定值置零，IGBT器件处于(000)状态，把电机内部的直流磁场进行快速灭磁，灭磁延迟时间持续时间不超过电机的转子时间常数，然后低压低频变频器(7)进入低频爬行的矢量控制模式，为了避免电机的电磁振荡过程，变频器的电压给定值u_d ^*、u_q ^*分别经过一阶惯性环节(17、18)，然后再进行坐标变换，形成三相电压的给定值，该给定值驱动三相PWM发生器，产生PWM信号，驱动三相IGBT逆变器(12)，对高压绕线异步电动机(1)进行矢量控制。

2、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，低压低频变频器(7)采用交流690V以下的低压交流电压等级660V、440V、400V、380V；低压低频变频器(7)仅在提升机的减速阶段和低速爬行阶段接入，低压低频变频器(7)与高压绕线异步电动机(1)之间采用直接连接的方式，无需升压变压器。

3、根据权力要求1和权力要求2中的任一项的低压低频变频器(7)，其特征在于，该低压低频变频器(7)的功率器件采用集电极-发射极耐压为1700V、1400V、1200V、600V的IGBT、IPM的功率半导体模块。

4、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，该低压低频变频器(7)的起始直流电压是可以用PWM波进行斩波调压的，在起始阶段是以一个合适的斜率快速升压的，以减少直流制动起始电流，在直流制动的中间阶段采用减速度和电流双闭环控制，同时，高压绕线异步电动机(7)转子侧的串联电阻(2)必须连接在转子电路上，把直流制动产生的电能大部分消耗在转子外部的电阻回路中，同时转子侧的串联电阻(2)有利于产生稳定的直流制动转矩，在直流制动的末端采用合适的斜率快速降压灭磁。

5、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，该低压低频变频器(7)的接入与高压工频交流电(3)接入存在互锁关系，即当低压低频变频器(7)接入时高压工频交流电(3)断开；当高压工频交流电(3)接入时低压低频变频器(7)断开，状态切换的暂态过程中存在死区关系，死区时间可以调节。

6、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，该低压低频变频器(7)具有过电压、欠电压、过流、短路和元件过热保护功能。

7、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，当该低压低频变频器(7)处于爬行运行阶段，转子侧的串联电阻(2)全部被短接掉，以提高效率和系统的控制精度。

8、根据权力要求1的低压低频变频器(7)，其特征在于，在高压绕线异步电动机(1)处于爬行阶段，或者采用变压变频的VVVF开环控制方式。

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