CN203840209U - 一种基于矩阵变频技术的电梯变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，包括交交变频电路模块、控制模块、输入输出装置和电机，所述交交变频电路模块包括三组开关单元，每组开关单元包括三个双向可控开关元件，所述开关单元的三个双向可控开关元件分别连接至三相交流电源的三个输入端，开关单元的电源输入侧和输出侧均设有LC滤波电路；控制模块包含了基于逻辑器件的四步换流控制电路CPLD，相隔离驱动、保护电路，相电流检测电路，辅助功率电路，光耦电平转换、隔离电路和DSP芯片电路。本实用新型以交－交矩阵变频技术为基础，输出频率任意可调，节能降耗；采用DSP全数字式矢量控制模块和IGBT双向大功率器件，集成化高，运行更高效节能、安全稳定。

Description

一种基于矩阵变频技术的电梯变频器

技术领域

本实用新型涉及一种电梯上的变频装置，尤其是涉及一种基于矩阵变频技术的电梯变频器。

背景技术

变频器是电机变频调速的核心器件，由于电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能，且经常处在正反转和反复起动与制动过程中。为满足乘客的舒适度和平层精度，要求电机在各种负载下都有良好的调速性能和准确的启停性能，因此对于电梯专用变频器，要求其不但要有快捷迅速的变频性能，而且还要有很大的过载过热能力，为使客梯具有良好的乘座舒适性，还要求变频调速要符合S型曲线变化，要对变频器的变频过程进行精确控制，所有这些都对电梯专用变频器提出非常高的技术要求。

以前的电梯变频器主要采用交-直-交变频原理，也叫脉冲宽度调制（PWM）变频电路，通过矢量运算进行电源频率的调整。它存在平层精度较低，电机运行时对电网有较大的冲击影响，安全保护措施不够完善等问题。目前，较多运用的矩阵式变频装置，输出频率任意可调，调速范围宽，明显优于交-直-交变频技术，而且使得电梯再生发电状态产生的机械能转换成电能，并回馈到电网中，实现了降低能耗、节约电能的目的。如中国专利公开号：CN202513876U，公开日2012年10月31日的专利文件中，公开了一种适用于大功率矿井提升机的交交变频调速系统，包括并联矩阵变换器、过压吸收电路、以及三相滤波器，所述并联矩阵变换器的一侧三相输入端通过三相滤波器与电网相连、另一侧的三相输出端与绕线式异步电机的三相转子相连。矩阵变换器包括主要由9个双向开关构成的主回路。上述系统中就运用了矩阵变换器，可提高传统同步电机调速性能，如减小输入侧的谐波、能量可双向流动等。但是，运用于电梯上的矩阵式变频器，在集成结构、稳定性和安全性上仍然存在不足之处。

实用新型内容

本实用新型是为了克服上述现有技术的不足之处，提供了一种节能高效、集成度高、稳定性好、安全性高的基于矩阵变频技术的电梯变频器。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，包括交交变频电路模块、控制模块、输入输出装置和电机，所述交交变频电路模块包括三组开关单元，每组开关单元包括三个双向可控开关元件，所述开关单元的三个双向可控开关元件分别连接至三相交流电源的三个输入端，开关单元的电源输入侧和输出侧均设有LC滤波电路；控制模块包含了基于逻辑器件的四步换流控制电路CPLD，相隔离驱动、保护电路，相电流检测电路，辅助功率电路，光耦电平转换、隔离电路和DSP芯片电路。

本实用新型以交－交矩阵变频技术为基础，输出频率任意可调，调速范围宽。省去中间直流环节，能量可双向流动，有利于电机的四象限运行，可有效利用电梯下降时的重力作功。而且电路的功率因数接近1，使变频电路工作效率更高。由于省去了中间的直流整流环节，使变频器结构更紧凑，使变频器的运行更高效节能、环保绿色。

本实用新型控制系统采用基于DSP芯片的标准模块化集成设计，将功率、控制、安全保护、驱动等各功能模块集成在一起。整个设计不仅结构简单、功率因数高电流畸变小，而且具有过流、短路、过压、欠压和过载等多重保护功能，实现了从0速启动到0速停止的全过程精确控制，优化了整个调速变频过程，提高了变频的能效比，降低了制动能耗和运行噪声，提高了变频调速的精确度，达到了更高的平层精度和舒适度，使变频器的运行更高效节能、安全稳定。

变频器的控制模块采用DSP全数字式矢量控制模块，并且设置了适用于DCP通讯协议的通讯模块。控制模块动作过程：DSP芯片电路通过通讯接口将双向可控开关元件的驱动信号经过光耦电平转换、隔离电路送到CPLD，作为光耦电平转换、隔离电路的输入信号，CPLD中的逻辑器件完成9路双向可控开关元件到18路分立开关的四步换流时序信号，CPLD的输出信号通过相隔离驱动、保护电路实现栅极驱动电路与控制电路的电气隔离，并提供驱动电流的放大，同时相电流检测电路通过分流器检测负载电流方向，在为四步换流提供必须的方向信号的同时，相电流检测电路还将负载电流与设定值比较，比较结果作为逻辑器件的输入信号，过流时，模块内部直接封锁逻辑器件的输出，同时通过通讯接口将过流状态反馈到DSP芯片电路来启动硬件和软件中的过流保护功能，确保变频器的稳定运行。

作为优选，变频器设置了两个部分的输出侧滤波电路，第一部分输出侧滤波电路设置在变频输出端，第二部分输出侧滤波电路设置在变频器的变压器输出端。第一部分输出侧滤波电路在起到滤波整形作用的同时，也起到隔离和降低电机调速所产生的高频冲击谐波，使变频器输出的电压电流更平稳，功率因素更高，以利于变频电路工作，同时使电网运行更平稳可靠。第二部分输出侧滤波电路，起到隔离强电对弱电部分的冲击影响，使变频器正常工作。这种电路设置，引入了输出侧滤波设计，有利于降低电梯电机在不断重复启停和变速过程中产生的高频谐波对电路的冲击影响，提高了产品的稳定性。

作为优选，在变频输入端设置匹配电抗器和过热保护电阻。提高电路的安全性。

作为优选，变频器电路中采用了IGBT双向大功率器件，并在IGBT的输入电源侧和输出侧各设一个LC滤波电路。针对现有电梯变频器产品主电路功率器件集成度低，数量多，存在是间大功率储能器件，存在多种干扰源等缺陷和不足。本实用新型在变频器电路中采用具有反向阻断能力的IGBT双向大功率器件，使变频器电路中使用的半导体器件数量减少到原来的一半，有效地降低了电路的复杂程度，减少了电路的接线点，使电路的各种分布参数大大降低，减少了干扰源。并在电源侧采用LC滤波网络，消除了变频器工作时电机反复启停对电网的浪涌电流和高频谐波的不利影响，使电网运行不受大功率变频电机的影响，更加可靠稳定，提升了电网运行质量。

本实用新型中用于通讯的模块采用DCP3和DCP4两种作为数据通讯接口协议。DCP3和DCP4分别用于增量型编码器和绝对型编码器。一方面简化了通讯线路结构，使变频器与控制器及编码器之间的数据通讯更快捷，实现了变频调速的敏捷控制；另一方面，多种接口电路使变频器能适应各种不同现场的需要，使其能适应异步电机或同步电机等不同电机对变频调速的不同要求，适应性更广。

有益效果：以交－交矩阵变频技术为基础，输出频率任意可调，节能降耗；采用DSP全数字式矢量控制模块，集成化高，运行更高效节能、安全稳定；采用了IGBT双向大功率器件，结构简单，集成度高。

附图说明

图1是本实用新型中矩阵式变频的电路原理图。

图2是本实用新型中控制模块的结构框图。

图3是本实用新型中第一部分输出侧滤波电路的电路原理图。

图4是本实用新型中第二部分输出侧滤波电路的电路原理图。

图5是本实用新型控制模块中电流保护和电流检测的电路原理图。

图中：第一部分输出侧滤波电路11、第二部分输出侧滤波电路12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

本实施例中，一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，包括交交变频电路模块、控制模块、输入输出装置和电机。如图1所示，交交变频电路模块包括三组开关单元，每组开关单元包括三个双向可控开关元件。开关单元的三个双向可控开关元件分别连接至三相交流电源的三个输入端。即SAa、SAb、Sac分别连接电源A相输入端、B相输入端、C相输入端，其他双向可控开关单元依照排布，如此，SAa 、SBa、 SCa并联接至电源A相输入端，SAb 、SBb、 SCb并联接至电源B相输入端，SAc 、SBc、 SCc并联接至电源C相输入端。开关单元的电源输入侧和输出侧均设有LC滤波电路。变频器的控制模块采用DSP全数字式矢量控制模块，并且设置了适用于DCP通讯协议的通讯模块。如图2所示，控制模块包含了基于逻辑器件的四步换流控制电路CPLD，相隔离驱动、保护电路，相电流检测电路，辅助功率电路，光耦电平转换、隔离电路和DSP芯片电路。其中相隔离驱动、保护电路，相电流检测电路分别对应三相电源。DSP芯片电路通过通讯接口将双向可控开关元件的驱动信号经过光耦电平转换、隔离电路传送给CPLD，CPLD的输出信号进入相隔离驱动、保护电路和相电流检测电路。变频器电路中还采用了IGBT双向大功率器件，并在IGBT的输入电源侧和输出侧各设一个LC滤波电路。通讯模块采用DCP3和DCP4两种作为数据通讯接口协议。

如图3、图4所示，变频器设置了两个部分的输出侧滤波电路，第一部分输出侧滤波电路11设置在变频输出端，第二部分输出侧滤波电路12设置在变频器的变压器输出端。在变频输入端设置匹配电抗器和过热保护电阻。第一部分输出侧滤波电路11为包括C4～C9六个电容构成的电路，具体联接如图3所示，变频输出部分进行滤波后联接到电梯主电机。第二部分输出侧滤波电路12为包括电感L3～L10和电容C19～C27所构成的高频谐波滤波电路，具体联接如图4所示。

控制模块动作过程：DSP芯片电路通过通讯接口将双向可控开关元件的驱动信号经过光耦电平转换、隔离电路送到CPLD，作为光耦电平转换、隔离电路的输入信号，CPLD中的逻辑器件完成9路双向可控开关元件到18路分立开关的四步换流时序信号，CPLD的输出信号通过相隔离驱动、保护电路实现栅极驱动电路与控制电路的电气隔离，并提供驱动电流的放大，同时相电流检测电路通过分流器检测负载电流方向，在为四步换流提供必须的方向信号的同时，相电流检测电路还将负载电流与设定值比较，比较结果作为逻辑器件的输入信号，过流时，模块内部直接封锁逻辑器件的输出，同时通过通讯接口将过流状态反馈到DSP芯片电路来启动硬件和软件中的过流保护功能，确保变频器的稳定运行。其中电流保护和电流检测，如图5所示。

本实用新型和传统PWM变频相比较：在整体结构、适用范围、控制精度、运行稳定性等许多方面都具有较明显的优势，具体分项目指标的比较见下表：

Claims (4)

1.一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，包括交交变频电路模块、控制模块、输入输出装置和电机，其特征在于，所述交交变频电路模块包括三组开关单元，每组开关单元包括三个双向可控开关元件，所述开关单元的三个双向可控开关元件分别连接至三相交流电源的三个输入端，开关单元的电源输入侧和输出侧均设有LC滤波电路；控制模块包含了基于逻辑器件的四步换流控制电路CPLD，相隔离驱动、保护电路，相电流检测电路，辅助功率电路，光耦电平转换、隔离电路和DSP芯片电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，其特征在于，变频器设置了两个部分的输出侧滤波电路，第一部分输出侧滤波电路设置在变频输出端，第二部分输出侧滤波电路设置在变频器的变压器输出端。

3.根据权利要求2所述的一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，其特征在于，在变频输入端设置匹配电抗器和过热保护电阻。

4.根据权利要求1所述的一种基于矩阵变频技术的电梯变频器，其特征在于，变频器电路中采用了IGBT双向大功率器件，并在IGBT的输入电源侧和输出侧各设一个LC滤波电路。