CN208143129U - 基于igct三电平矢量控制的交直交变频调速电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，包括：整流电路、逆变电路、直流储能电路、控制电路、信号检测电路、驱动电路以及励磁电路；所述直流储能电路连接在所述整流电路的输出端与所述逆变电路的输入端之间，所述信号检测电路的输入端连接所述励磁电路、所述逆变电路的输出端以及同步电机，所述驱动电路的输出端连接所述整流电路和所述逆变电路，所述控制电路连接所述信号检测电路的输出端和所述驱动电路的输入端。本实用新型提供的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路硬件结构简单，减少备件维护方面的费用，带来很好的经济效益，并大大保障煤矿生产的安全可靠性。

Description

基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路

技术领域

本实用新型涉及变频控制技术，具体地，涉及基于IGCT三电平矢量控制的大功率交直交变频调速电路，尤其是一种基于IGCT(integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)三电平矢量控制的大功率矿井同步提升机交直交变频调速电路。

背景技术

矿井提升机运行对传动系统、工艺控制、信号系统等都提出了严格的要求：安全、高效、精确运行，是关键设备。高性能先进的提升机控制系统是矿井安全高效生产的保障。功率3000kW以上大功率提升机电控设备一般采用交流同步电机控制，电控系统有二种形式：基于晶闸管的交交变频传动的同步电机控制系统，和基于IGCT技术的交直交变频控制系统。基于IGCT技术的提升机电控系统技术先进，但均为国外引进技术，在系统控制、维护、维修等方面存在一定困难。

近几年国内一些相关企业不断加大国产中高压变频器的研发，但是产品性能上与进口产品相比还存在较大差距。国产中高压大功率变频器研制因起步较晚、技术储备薄弱，在产品性能和可靠性方面还有待提高与完善。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路。

根据本实用新型提供的一种基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，包括：整流电路、逆变电路、直流储能电路、控制电路、信号检测电路、驱动电路以及励磁电路；

所述直流储能电路连接在所述整流电路的输出端与所述逆变电路的输入端之间，所述信号检测电路的输入端连接所述励磁电路、所述逆变电路的输出端以及同步电机，所述驱动电路的输出端连接所述整流电路和所述逆变电路，所述控制电路连接所述信号检测电路的输出端和所述驱动电路的输入端。

较佳的，所述整流电路由四个三相IGCT组成T型拓扑。

较佳的，所述整流电路还包括反过充装置。

较佳的，所述逆变电路由四个三相IGCT组成T型拓扑。

较佳的，所述逆变电路还包括EMC过滤装置、箝位电路和接口板；

所述EMC过滤装置连接在电动机侧或供电电网侧，所述箝位电路连接在所述T型拓扑上，所述接口板通信连接所述整流电路和所述逆变电路之间。

较佳的，所述直流储能电路包括直流电容、预充电单元和接地开关，所述预充电单元包括辅助变压器和二极管整流器，所述接地开关连接所述直流储能电路的直流母排。

较佳的，所述控制电路包括相互通信连接的DSP芯片以及FPGA，所述FPGA连接所述信号检测电路的输出端，所述DSP芯片的输出端连接所述驱动电路。

较佳的，所述励磁电路包括晶闸管桥式整流装置和过电压保护装置，所述晶闸管桥式整流装置：连接同步电动机的转子滑环，所述过电压保护装置由反并联二极管串保险丝构成。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型提供的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路硬件结构简单，减少备件维护方面的费用，带来很好的经济效益，并大大保障煤矿生产的安全可靠性。同时，在本实用新型的基础上所实现的控制效果达到国际先进水平。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，包括：整流电路1、逆变电路2、直流储能电路3、控制电路5、信号检测电路6、驱动电路7以及励磁电路4。直流储能电路3连接在整流电路1的输出端与逆变电路2的输入端之间，信号检测电路6的输入端连接励磁电路4、逆变电路2的输出端以及同步电机SM，驱动电路7的输出端连接整流电路1和逆变电路2，控制电路5连接信号检测电路6的输出端和驱动电路7的输入端。

整流电路1由三相IGCT组成，每相由四个IGCT模块组成T型拓扑，所述IGCT的规格为4500V/2000A。整流电路1内部装备了反过充装置，可防止直流电引起变压器的过饱和。脉冲调制方法可采用空间矢量控制技术，整流电路1的输入是三相交流，输出是直流母线正极+DC、中性点NP、负极-DC。

逆变电路2由三相IGCT组成，每相由四个IGCT模块组成T型拓扑，硬件组成和整流电路1基本上相同，可以大幅节省备件的储存量，所述IGCT的规格为4500V/2000A。逆变电路2用于将整流电路1整流后的直流电逆变为同步电动机SM所需可变频率和电压。逆变电路2内均装设门极电源用于向IGCT提供触发电压，来自于驱动电路7的信号控制IGCT的导通和关断。逆变电路2内有EMC(电磁兼容)过滤装置、箝位电路和接口板等设施。EMC过滤装置安装在电动机侧或供电电网侧，保证无派生电压进入电动机或电网。箝位电路连接在T型拓扑上，箝位电路限制电路中的电流变化率。接口板通信连接整流电路和逆变电路之间，负责控制模块与整流模块或逆变模块之间的信号通讯，包括触发脉冲逻辑、快速保护及与提升机其它单元之间的数据交换等。逆变电路2与整流电路1的IGCT完全一样，只是输入输出相反，逆变电路2的输入接直流母线，输出是三相交流。

直流储能电路3安装有直流电容、预充电单元和接地开关，水冷却的直流电容可使电压更加稳定，预充电单元由一台辅助变压器和一个小型二极管整流器组成，当主回路需连接到高压电网时，先给直流母排充电至90％左右，以减免主回路断路器合上时带来的浪涌电流影响。为保证维护检修安全的原则，直流母排安装接地开关，当有电压时，接地开关合不上，只有当直流母线完全放电后，稳压电容模块上的指示灯熄灭，接地开关方能合上。

励磁电路4主要包括两个部分：第一个部分是晶闸管桥式整流装置，给同步电动机SM的转子滑环提供持续的直流电；第二部分是过电压保护装置，由反并联二极管串保险丝构成，当电压过高时击穿保险丝，正负极直通，端电压为零，从而保护同步提升机。

控制电路5采用DSP+FPGA组合结构，FPGA连接信号检测电路的输出端，DSP芯片的输出端连接驱动电路。所采用的DSP芯片优选内部包含事件管理器，使用这一功能可以便于发出SVPWM脉冲以及脉冲死区的增加。励磁电流的计算方法也是利用现有计算方法在DSP芯片中完成。

本系统将同步电动机SM转速信号转化为数字信号，采用轴编码器并配以正交编码电路。在每个采样周期中，在DSP芯片中进行运算，运算的数据来自于读取的同步电机转速值、两相电流值、励磁电路电流值以及直流侧电压值，通过运算得出三相开关作用时间，从而触发驱动电路7，这中间需要有光电隔离电路来提高脉冲信号的可靠性。本系统还实时监测电机的运行状态，当遇到过电压、过电流或者中性点电位不平衡时，主函数中过压和过流保护程序会运行从而中断脉冲的发出，此时变频器停止工作，同步提升机也停止运行，降低损失。通过ADC芯片采集来的数据送到FPGA缓存，使得DSP可以并行读取采集数据，实时性更高。此外，FPGA可与上位机进行通讯，保存同步电机中的电压电流信号。FPGA也将所需的数字量送到DAC芯片中。

信号检测电路6对同步电动机SM采用2018编码器4倍频计数进行转速信号的测量，通过正交编码电路运算处理获得高精度的电机转速。采用CHB-200SF霍尔电流传感器测量电机定子的电流值，ADC采样芯片选择ADS7869，DAC芯片选择TLV5610，此芯片为8通道12位串行输出，在每个通道上输出电压为0～5V。

驱动电路7，IGCT触发采用“硬驱动”技术。所谓硬驱动，是指采用电路板代替传统的同轴门极驱动连线并采用新的芯片安装技术，从而使传统的门极连线及芯片内部门极连线电感极大减小。由于新技术的采用，IGCT所需要的门极驱动功率不到相同容量GTO的20％。为了更坚固和紧凑，IGCT的门极驱动电路围绕GCT而设置，与GCT组成一体。这种设计使IGCT门极驱动的造价和故障率大大降低。将触发状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，其GCT与门极驱动器之间相距为15cm，使电感量小于5nH。由两根光纤输入触发信号、输出工作状态信号，直流电源可直接获得，也可专门脉冲电源变压器经滤波、稳压后获得。整个驱动电路7由开通电路、判断电路、逻辑监控电路、检测保护电路、光接口电路和LED状态指示电路等部分组成。其中开通部分向IGCT提供开通脉冲电流和通态维持电流，关断部份则负责控制IGCT的关断。驱动电路7的主要技术特点是输出和输入电流能力要大，同时应有极低的回路电感。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，包括：整流电路、逆变电路、直流储能电路、控制电路、信号检测电路、驱动电路以及励磁电路；

所述直流储能电路连接在所述整流电路的输出端与所述逆变电路的输入端之间，所述信号检测电路的输入端连接所述励磁电路、所述逆变电路的输出端以及同步电机，所述驱动电路的输出端连接所述整流电路和所述逆变电路，所述控制电路连接所述信号检测电路的输出端和所述驱动电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述整流电路由四个三相IGCT组成T型拓扑。

3.根据权利要求2所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述整流电路还包括反过充装置。

4.根据权利要求1所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述逆变电路由四个三相IGCT组成T型拓扑。

5.根据权利要求4所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述逆变电路还包括EMC过滤装置、箝位电路和接口板；

所述EMC过滤装置连接在电动机侧或供电电网侧，所述箝位电路连接在所述T型拓扑上，所述接口板通信连接所述整流电路和所述逆变电路之间。

6.根据权利要求1所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述直流储能电路包括直流电容、预充电单元和接地开关，所述预充电单元包括辅助变压器和二极管整流器，所述接地开关连接所述直流储能电路的直流母排。

7.根据权利要求1所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述控制电路包括相互通信连接的DSP芯片以及FPGA，所述FPGA连接所述信号检测电路的输出端，所述DSP芯片的输出端连接所述驱动电路。

8.根据权利要求1所述的基于IGCT三电平矢量控制的交直交变频调速电路，其特征在于，所述励磁电路包括晶闸管桥式整流装置和过电压保护装置，所述晶闸管桥式整流装置：连接同步电动机的转子滑环，所述过电压保护装置由反并联二极管串保险丝构成。