CN201590764U

CN201590764U - 带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元

Info

Publication number: CN201590764U
Application number: CN2009202982771U
Authority: CN
Inventors: 郑孝平
Original assignee: LUOYANG YUANCHUANG ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: LUOYANG YUANCHUANG ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2019-12-30

Abstract

本实用新型公开的带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元，主要包括并且顺序连接的有：电源滤波及检测部分；回馈及同步部分；直流储能部分；逆变输出部分；在所述电源滤波及检测部分设置有由L1、C5、L2组成的LCL滤波器，该LCL滤波器位于变频功率单元的网侧与进线侧之间：其中，L2的电感量为L1的两倍，电容C5为三相无极性电容器；所述回馈及同步部分的整流/回馈控制模块A1与逆变输出部分的逆变控制模块A2之间由进行通讯的双绞线连接，实现网侧交流电压、整流/回馈桥进线侧、逆变桥输出侧的电压变化信息的交换。本实用新型提出的高压变频器，在矿井提升机上的应用更加安全可靠、调速性能优越，并可实现节能的目的。

Description

带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元

技术领域

本实用新型属于矿井提升机高压变频技术，主要提出一种带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元。

背景技术

目前，公知的能量回馈高压变频器功率单元没有电压自适应功能，主要存在以下缺点：1)矿井提升机在下放重物或减速的过程中，电网侧电压波动，高压变频器的功率单元容易损坏，影响高压变频器整机的可靠性；2)为了防止功率单元的损坏，通常的做法是在功率单元的进线侧增加一组电抗器，增加了设备体积和成本，而且效果也不理想；3)输出电压随输入的网侧电压波动而波动，调速性能差，输出力矩不稳定。随着高压变频器的技术逐渐成熟，高压变频器在矿井提升机上的应用越来越广泛，由于矿井提升机是整个矿山的咽喉设备，提升设备的安全可靠性直接影响到整个矿山的安全生产和生产效率，特别是副井提升涉及到上下人员，在提升的过程中，如果高压变频器损坏，将会把正在乘罐的人员悬在井筒中，这些人员的生命安全将受到威胁。因此，要不断地提高提升机高压变频器特别是其关键部件——功率单元的性能和安全可靠性。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元，基于这种带电压自适应的功率单元组成的矿井提升机高压变频器，在矿井提升机上的应用更加安全可靠、调速性能优越，并可实现节能的目的，

本实用新型采取以下技术方案实现上述目的：主要包括并且顺序连接的：为回馈及同步部分的主回路提供动力电源，并对电网侧的电源电压进行直接检测的电源滤波及检测部分；将网侧的50HZ交流电源整流成直流回路的直流电或将直流回路的直流电调制成并叠加到网侧的50HZ交流电的回馈及同步部分；对直流回路进行滤波并将部分能量储存的直流储能部分；在电动状态将直流回路的直流电调制成0-50HZ的交流电，在回馈状态将0-50HZ的交流电调制成直流电并叠加到直流回路中的逆变输出部分，其特征是：在所述电源滤波及检测部分设置有由L1、C5、L2组成的LCL滤波器，该LCL滤波器位于变频功率单元的网侧与进线侧之间：其中，L2的电感量为L1的两倍，电容C5为三相无极性电容器；所述回馈及同步部分的整流/回馈控制模块A1与逆变输出部分的逆变控制模块A2之间由进行通讯的双绞线连接，实现网侧交流电压、整流/回馈桥进线侧、逆变桥输出侧的电压变化信息的交换。

相较于现有技术，本实用新型提出的带电压自适应的提升机高压变频功率单元，能够组成高可靠性的矿井提升机专用的高压变频器，实现无级调速，矿井提升机在负力减速或下放重物的过程中，可靠地将位能转化成电能回馈到电网中，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，只要把绕线式电动机的转子绕组短接，采用基于本实用新型所提出的带电压自适应的提升机高压变频功率单元的矿井提升机高压变频器，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，具有优越的经济和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理图。

图2为基于本实用新型所提出的带电压自适应的提升机高压变频功率单元的矿井提升机高压变频器的电路原理图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型实施例加以说明：

在图1中，本实用新型带电压自适应的提升机高压变频功率单元，主要由电源滤波及检测部分①、回馈及同步部分②、直流储能部分③、逆变输出部分④等组成；电源滤波及检测部分主要由熔断器RD1-3以及由L1、C5、L2组成的LCL滤波器和电源侧电压检测单元U1组成，其中熔断器RD1-3和LCL滤波器进行顺序连接，为回馈及同步部分的主回路提供动力电源，电源侧电压检测模块U1接在熔断器RD1-3和LCL滤波器的之间，对电网侧的电源进行直接检测，并将三相的交流电转换成0-5V的标准电平，送入回馈及同步部分的电压同步及比较模块B1中，作为电网侧的电压信号；网侧三相动力电源从端子R、S、T接入本部分，LCL滤波器中，L2的电感量为L1的两倍，C5为三相无极性三相电容器；进线熔断器RD2短接。

回馈及同步部分主要由绝缘栅晶闸管IGBT组成的三相整流/回馈桥QL1及其电流互感器LM1-1～3、整流/回馈桥触发模块K1、功率单元输入侧电压检测模块U2和电流检测单元I1、电压比较及同步模块B1和整流/回馈控制模块A1组成；整流/回馈桥QL1输出的正极与直流储能部分的电解电容C1的正极相连作为直流储能部分的直流母排“+”极，整流/回馈桥QL1输出的负极与直流储能部分的电解电容C3的负极相连作为直流储能部分的直流母排“-”极；整流/回馈触发模块K1与整流/回馈桥QL1中IGBT的栅极-发射极相连，K1在为IGBT提供触发脉冲的同时实时采集整流/回馈桥QL1输出两端的直流电压；安装于整流/回馈桥QL1进线侧的电流互感器LM1～3与电流检测模块I1相连并采集整流/回馈桥QL1的三相电流，电流检测模块I1将三相交流电流转换成0-5V的标准电平进入电压比较及同步模块B1，作为电流控制和保护信号；电压检测模块U2对功率单元输入侧的三相电压进行检测，将三相的交流电转换成0-5V的标准电平，输入到电压同步及比较模块B1中，作为功率单元输入侧的电压信号；电压同步及比较模块B1与整流/回馈桥触发模块K1通过一组光纤相连，并且与整流/回馈控制模块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控制。母排电压在设定的范围内，通过整流/回馈桥QL1中IGBT并联的二极管组成的三相桥式电路，将三相输入的交流电整流成直流电，使母排两端的直流电压保持平衡状态；母排电压超过设定的范围内，电压比较及同步模块B1对回馈的电压同步进行控制，通过整流/回馈桥触发模块K1对整流/回馈桥QL1中三相桥臂上瞬时电压最高的IGBT和瞬时电压最低的IGBT进行触发，并形成循环触发控制，将母排两端的直流电调制成与电网侧相位一致、幅值相同的交流电压，在这种情况下，通过电流互感器LM1-3检测到的三相交流电流为负相序，表示功率单元处于能量回馈状态，在回馈状态，母排两端的直流电压不会大幅度的升高并保持一定的平衡状态，一旦电网侧的电压有大的波动，在电压同步及比较模块B1的作用下，整流/回馈桥QL1回馈的电压与网侧的电压保持同步降落或升高，即使回馈的电压与网侧的电压间存在瞬时的电压差，通过LCL滤波器，不至于形成大的短路电流，提高了功率单元的安全可靠性。

直流储能部分由三组电解电容C1、C2、C3串联而成，分别在每组电解电容两端并接有均压电阻R1、R2、R3，在串联的电容组两端母排形成“+”“-”两极；无极性电容C4跨接在母排的“+”“-”两端，对直流储能部分的直流电进行滤波。在整流状态，电流从整流/回馈桥QL1的“+”流向逆变桥QL2的“+”继而从逆变桥QL2的“-”流向整流/回馈桥QL1的“-”；在回馈状态，电流从逆变桥QL2的“+”流向整流/回馈桥QL1的“+”继而从整流/回馈桥QL1的“-”流向逆变桥QL2的“-”。

逆变输出部分主要由两相逆变桥QL2及其电流互感器LM4～5、逆变桥触发模块K2、单相输出侧的电压检测模块U3和电流检测模块I2、电压比较及自适应模块B2和逆变桥控制模块A2组成；逆变桥QL2的正极与直流母排的“+”极相连，逆变桥QL2的负极与直流母排的“-”极相连，逆变桥QL2的两相交流端从端子U、V输出，与上下的功率单元相串联以形成高压变频器的一相输出(请参见图2)；逆变桥QL2中IGBT的栅极-发射极与逆变桥触发模块K2相连，K2在为IGBT提供触发脉冲的同时实时采集逆变桥QL2输入两端的直流电压，安装于逆变桥QL2输出侧的电流互感器LM4～5与电流检测单元I2相连并采集逆变桥QL2输出的单相交流电流，电流检测模块I2将单相交流电流转换成0-5V的标准电平进入电压比较及自适应模块B2，作为电流控制和保护信号；电压检测模块U3对功率单元输出侧的单相电压进行检测，将单相的交流电压转换成0-5V的标准电平，输入到电压比较及自适应单元B2中，作为功率单元输出侧的电压信号；电压比较及自适应模块B2与逆变桥触发模块K2通过一组光纤相连，并且与逆变控制模块A2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控制。电动状态，通过逆变桥QL2中IGBT将母排两端的直流电调制成单相交流电，在图2中，高压变频器由三组这样串联的功率单元(A1-6、B1-6、C1-6)而成，高压变频器输出三相频率、幅值可调的高压交流电，直接对高压电动机的定子进行供电，网侧电压波动，母排电压也随着波动，由于电压比较及自适应模块B2的作用，通过逆变桥触发模块K2对逆变桥QL2的触发脉冲进行调节，保证功率单元输出的交流电压保持平衡，不随着网侧的电压变化而变化，在这种情况下，通过电流互感器LM4-5检测到的单相交流电流为正相序，表示功率单元处于逆变(电动)状态；发电制动状态，功率单元输出侧电压升高，通过逆变桥QL2中并联于IGBT两端的二极管将功率单元输出侧的单向交流电整流成直流电，使得母排两端的电压升高，在这种情况下，通过电流互感器LM4-5检测到的单相交流电流为负相序，表示功率单元处于回馈(制动)状态。

请参照图1所示并请参见图2，本实用新型所提出带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元的工作过程是：当电源滤波及检测部分的三相输入端子R、S、T得到供电后，经LCL滤波器滤波，三相交流电施加于整流/回馈桥QL1的交流“～”输入端，经QL1整流并对直流储能部分中电解电容组充电，当直流母排两端的直流电压上升到额定的60％，整流/回馈桥触发模块K1和逆变桥触发模块K2中的开关电源正常工作并为功率单元中各控制检测模块提供工作直流电源，这时，整个功率单元处于待工作状态，高压变频器的控制器A0执行变频器充电结束的指令，短接高压变频器中电源输入部分的充电限流电阻，功率单元得到额定的三相交流电，直流储能部分得到额定的直流电并对其进行滤波。在逆变桥控制模块A2得到高压变频器的控制器A0的运行信号后，在逆变桥控制模块A2、电压比较及自适应模块B2和逆变桥触发模块K2的作用下，逆变桥QL2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QL2输出的频率和电压逐步升高，基于这种功率单元的高压变频器的输出频率和电压随之升高，由高压变频器驱动的矿井提升机启动后进入加速阶段，当频率升到额定频率、电压升到额定电压后，提升机处于等速段运行阶段；在加速阶段和等速阶段，检测整流/回馈桥QL1的电流互感器LM1-1～3所检测到的电流为正相序，说明提升电动机处于电动状态，基于本功率单元的提升机高压变频器工作在I象限。在减速过程，功率单元接收到高压变频器的控制器A0的减速指令，在逆变桥控制模块A2、电压比较及自适应模块B2和逆变桥触发模块K2的作用下，功率单元输出的频率、电压逐渐下降，由于提升机系统的大惯量的作用，提升电动机处于超同步速即发电状态运行，电机的定子电压通过逆变桥QL2的整流作用，使得直流母排的“+”和“-”之间的电压逐渐升高，当母排电压达到整流/回馈桥QL1的门槛电压，在整流/回馈控制模块A1、电压比较及同步模块B1和整流/回馈桥触发模块K1的作用下，整流/回馈桥QL1经过与功率单元网侧的三相交流电压进行相位及幅值的同步之后，将母排的直流电压调制成交流电压经LCL滤波器回馈到功率单元的网侧上，通过高压变频器中的移相整流变压器的电流耦合作用，将能量回馈到电网中去，在这个过程中，整流/回馈桥QL1进线侧的电流互感器LM1-3所检测到的电流为负相序，说明提升电动机处于发电状态，本功率单元工作在II象限。反向亦然，加速及等速段，提升电动机处于电动状态，本功率单元工作在III象限，减速阶段，提升电动机处于发电状态，本功率单元工作在IV象限。功率单元工作在II、IV象限即电动的过程中，当功率单元网侧电电压上下波动，母排电压电压也随着波动，但是，在电压比较及自适应模块B2和逆变桥触发模块K2的作用下，及时调整逆变桥的触发角，确保逆变桥的输出电压不变，这样，基于这种功率单元的高压变频器输出的电压幅值就不随着网侧的电压波动而波动，保证提升电动机的速度、力矩在一定的条件下恒定；在功率单元工作在I、III象限即回馈制动的过程中，尽管功率单元网侧电压在上下波动，但是，在电压比较及同步模块B1和整流/回馈桥触发模块K1的作用下，及时调整整流/回馈桥的触发角，确保整流/回馈桥回馈到交流侧的三相交流电压的相位、幅值与网侧基本保持一致，这样，功率单元在回馈的过程中，不因网侧电压波动造成网侧与整流/回馈桥交流侧之间存在较大的瞬时电压差，形成隐性的短路现象而造成功率单元的损坏，确保高压变频器的安全可靠运行；因此，本功率单元具有四象限运行的功能且具有与电网电压相适应的电压自适应功能，适合于提升机运行的工况要求。另外，在提升机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，提升电动机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，电动机输出电流流经逆变桥QL2，逆变桥QL2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，达到整流/回馈桥QL1的回馈电能的门槛电压时，回馈桥QL1开始回馈电能，回馈桥QL1将直流电压调制成与网侧电压和频率相同的三相交流电，经高压变频器中的整流变压器回馈到电网中，达到将位能转换成电能即节能的目的，在整流/回馈桥QL1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/回馈桥QL1、各电解电容、逆变桥QL2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

1.一种带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元，主要包括并且顺序连接的：为回馈及同步部分的主回路提供动力电源，并对电网侧的电源电压进行直接检测的电源滤波及检测部分；将网侧的50HZ交流电源整流成直流回路的直流电或将直流回路的直流电调制成并叠加到网侧的50HZ交流电的回馈及同步部分；对直流回路进行滤波并将部分能量储存的直流储能部分；在电动状态将直流回路的直流电调制成0-50HZ的交流电，在回馈状态将0-50HZ的交流电调制成直流电并叠加到直流回路中的逆变输出部分；其特征是：在所述电源滤波及检测部分设置有由L1、C5、L2组成的LCL滤波器，该LCL滤波器位于变频功率单元的网侧与进线侧之间：其中，L2的电感量为L1的两倍，电容C5为三相无极性电容器；所述回馈及同步部分的整流/回馈控制模块A1与逆变输出部分的逆变控制模块A2之间由进行通讯的双绞线连接，实现网侧交流电压、整流/回馈桥进线侧、逆变桥输出侧的电压变化信息的交换。

2.根据权利要求1所述的一种带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元，其特征是：所述电源滤波及检测部分的进线熔断器RD2短接。

3.根据权利要求1所述的一种带电压自适应的矿井提升机高压变频功率单元，其特征是：所述回馈及同步部分的整流/回馈桥QL1为三相全控桥，所述逆变输出部分的逆变桥QL2为单相全控桥，QL1、QL2中功率器件为电压等级1700V的大功率IGBT。