CN208739030U - 一种带式输送机低频直驱中高压变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于高压变频器控制技术，提出一种带式输送机低频直驱中高压变频器。提出的一种带式输送机低频直驱中高压变频器具有整流变压器；整流变压器具有一套原边绕组和3*j套副边绕组；每套副边绕组串接有一台两象限低频功率单元；两象限低频功率单元的数量与副边绕组相对应至少为3*1个，并形成A、B、C三相；两象限低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的整流单元和二电平IGBT‑H型逆变桥；整流单元连接在整流变压器副边绕组的三相输出端；整流单元为二极管或二极管‑可控硅三相整流桥；低频功率单元控制器与高压变频器主控系统相连通；本实用新型取消了减速器及其配套设施，满足带式输送机平滑调速的需要。

Description

一种带式输送机低频直驱中高压变频器

技术领域

本实用新型属于高压变频器控制技术，提出一种带式输送机低频直驱中高压变频器。

背景技术

带式输送机通常由高速异步电动机或高速直流电动机驱动，为了匹配带式输送机的额定运行速度，通常配置有减速器；或者，在不增设减速器的条件下，由低速交流电动机或低速直流电动机进行直接驱动；减速器及其配套设施的存在，增加了设备整体体积和重量，从而增加包括设备及其基建在内的投资费用，并降低了传动效率，能耗相对提高；直流电机及其调速系统结构复杂，维修费用高，电机结构较交流电机复杂、能耗高，已被限制使用并逐步淘汰。目前低速直驱带式输送机主要由中低压同步机驱动，采用三电平中低压变频技术，最高电压等级为3.3kV，与我国工业现场供电电压等级通常为6kV或10kV的国情不符，造成许多困扰。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种带式输送机低频直驱中高压变频器，能够取消减速器及其配套设施，在带式输送机领域，逐步淘汰直流电动机及其调速系统，甚至取代高速异步机及其工频变频器成为可能和现实，并逐步从中压变频向高压变频过渡；低频直驱高压变频器和低速交流电动机组成新型的输送机调速驱动系统将主导带式输送机市场。

本实用新型采取以下技术方案完成其实用新型目的：

一种带式输送机低频直驱中高压变频器，所述的低频直驱中高压变频器具有用以为其提供电压的整流变压器；所述的整流变压器具有一套原边绕组和3*j套副边绕组，j=1、2.....；3*j套副边绕组为同相绕组；每套副边绕组串接有一台两象限低频功率单元；所述的两象限低频功率单元的数量与副边绕组相对应至少为3*1个，并形成A、B、C三相；所述两象限低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的整流单元和二电平IGBT-H型逆变桥；所述的整流单元连接在整流变压器副边绕组的三相输出端；所述的整流单元为二极管或二极管-可控硅三相整流桥；所述的整流单元与二电平IGBT-H型逆变桥之间并接有储能电容和均压电阻，对两象限低频功率单元进行储能和平波；所述的二电平IGBT-H型逆变桥通过IGBT驱动器与功率单元控制器相连通；所述功率单元控制器与高压变频器主控系统相连通；所述的两象限低频功率单元的输出端为两个：U输出端、V输出端；

A相第一个两象限低频功率单元的U输出端与B相第一个两象限低频功率单元的U输出端以及C相第一个两象限低频功率单元的U输出端连接为一起形成所述中高压变频器的中性点Q；

A相中第一个低频功率单元的V输出端与A相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；A相最后一个低频功率单元的V输出端构成A相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的A相相连；

B相中第一个低频功率单元的V输出端与B相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；B相最后一个低频功率单元的V输出端构成B相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的B相相连；

C相中第一个低频功率单元的V输出端与C相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；C相最后一个低频功率单元的V输出端构成C相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的B相相连。

低频直驱中高压变频器为一套，所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出与低速同步电动机定子绕组相连接。

所述的低频直驱中高压变频器至少为两套，每套所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出均与所对应的低速同步电动机定子绕组相连接，且多套所述的低频直驱中高压变频器均与输送机操控系统相连接，并实现一主多从的控制方式。

对应所述的低速同步电动机设置有用于控制他励低速同步机励磁电流的励磁控制器，所述的励磁控制器与整流变压器相应三相副边绕组的输出端相连接，或对应所述的励磁控制器设置有用以为其供电的励磁整流变压器。

所述低速同步电动机通过高分辨率光电编码器与高压变频器主控系统相连接，高分辨率光电编码器与带式输送机卷筒的主轴同心安装，用于测量低速交流电动机转子的位置和转速。

所述的带式输送机低频直驱中高压变频器，根据每相串联所述两象限低频功率单元的数量不同，可组成不同电压等级的中压或高压变频器，驱动1.14kV及以上电压等级的低速交流电动机，包括他励低速同步机、永磁低速同步机或低速异步机，所述的低速交流电动机为悬臂式并与输送机卷筒同轴安装，额定转速通常为每分钟数十转及以下，额定频率通常小于17.0Hz，最低运行频率可能为0.1Hz，要求与之配套使用的所述中高压变频器应具有较大的调速范围，如170（17.0Hz/0.1Hz），在所述频率范围（0.1Hz~17.0Hz)内，所述的中高压变频器具有所需要的过载能力，静动态性能满足带式输送机的要求。

所述的高压变频器主控系统和低频功率单元控制器主要由DSP、CPLD、FPGA和逻辑及接口电路组成。主控系统通过转子磁场定向矢量控制技术将来自输送机操控系统的指令转化成频率和力矩的控制信号，并通过光纤控制低频功率单元，低频功率单元控制器将这些控制信号翻译成两相两组IGBT的触发信号并保证互锁，确保同一相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通；从而输出相应的频率和力矩信号满足带式输送机平滑调速的需要，同时将低频功率单元的一些信息和状态返回主控系统，主控系统将这些信息和状态进行逻辑处理后，作为所述的中高压变频器运行的信息和状态，返回带式输送机操控系统。带式输送机操控系统主要由PLC及其接口电路组成，根据所述的中高压变频器信息和状态及其他条件作出逻辑判定，从而更有效地控制带式输送机的安全运行。

所述的光电编码器与带式输送机卷筒的主轴同心安装，用于测量低速交流电动机转子的位置和转速，作为所述的高压变频器主控系统中转子磁场定向闭环矢量控制的重要信号之一，转子位置的定位准确性直接决定了中高压变频器输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响中高压变频器的调速范围，精度越高，调速范围越大；所述的编码器为绝对值或增量两种型式，每套所述的带式输送机低频直驱中高压变频器配套一台编码器，一一对应。

所述的励磁控制器的输入端与整流变压器相应的三相副边绕组或者专设的励磁整流变压器输出端相连，用于控制他励低速同步电动机的励磁电流，根据实际使用情况，可恒定励磁或可变励磁；作为选项，在驱动永磁低速同步机和低速异步机的情况下，不需要励磁控制器。

可由多套所述的带式输送机低频直驱中高压变频器按主从结构，分别驱动同一带式输送机的多台低速交流电机，其中一套为主机，其他为从机；所述的主机和从机分别与输送机操控系统中PLC组成网络通讯系统，所述的PLC可任意定义主机和从机并按实用需要进行变换，包括实现允许任一单机在脱机状态下的应急运行，所述的主机具有完整的速度、电流和电压闭环并实时将速度环输出的数据传送给PLC，所述的从机与主机共用一个速度环并实时从PLC获得速度环输出的数据作为从机的力矩电流给定信号。

为了实现允许任一单机脱机状态下的应急运行，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器及其所驱动的低速电动机应具有所需要的过载倍数大于或等于n/(n-1)倍（n为同一带式输送机额定配置的低速电动机的数量，n=2、3、4等）。

所述的带式输送机低频直驱中高压变频器可用于驱动其他需要两象限不可逆运行的机械设备，如低速交流电机拖动的辊压机、磨机，等等。

所述的带式输送机低频直驱中高压变频器，重要的特征在于输出额定频率与低速交流电机相匹配，通常工作频率范围为0.1Hz~17.0Hz。要求全程满转矩并具有所需要的过载倍数，满足带式输送机平滑的调速需要，具有良好的静动态性能，且谐波分量小、功率因数高，符合相关标准的要求。为了满足上述性能，所述的转子磁场定向闭环矢量控制技术还包括采取如下措施。

措施之一，建立合适的低速交流电动机数学模型，将所述带式输送机低频直驱中高压变频器的驱动对象通过方程式表明输入量与输出量的数学关系，包括定转子的电压方程式、定转子的磁链方程式、转矩方程式、电动机及其拖动的带式输送机的运动方程式。

措施之二，对低速交流电动机技术参数进行有效自动测量并自适应。技术参数包括：定子绕组的阻抗、感抗和漏抗，转子绕组的阻抗、感抗和漏抗，定转子绕组间的感抗，励磁绕组的阻抗，等。

措施之三，在低频运行状态下，对上述方程式以及某些技术参数进行有效合理的补偿。

措施之四，所述带式输送机低频直驱中高压变频器以两象限低频功率单元及其工程设计法为核心；采用SPWM（正弦波脉宽调制）方式对逆变桥进行调制，并较传统变频器具有更高调制开关频率。

本实用新型提出的一种带式输送机低频直驱中高压变频器，基于低频功率单元及其工程设计法，低频功率单元在另一文件已经申报；稳定输出频率范围通常为0.1Hz~17.0Hz，结合所述的中高变频器的合理选型，在此频率范围内具有所需要的的过载能力，静动态性能满足带式输送机的要求，用于驱动低速直联的交流输送机，包括他励低速同步电机、永磁低速同步机或低速异步机等，取消了减速器及其配套设施，满足带式输送机平滑调速的需要，并且，谐波小功率因数高、效率高；相较于现有公知技术，本实用新型使得带式输送机不需要减速器，既减少了设备总体体积和成本包括运维成本，又节省了包括设备及其基建投资在内的费用，社会和经济效益显著。

附图说明

图1 带式输送机低频直驱中高压变频器的原理示意图；

图2 多机拖动的带式输送机低频直驱中高压变频器的原理示意图；

图3 二极管三相桥的两象限低频功率单元的原理示意图；

图4 二极管-可控硅三相半控桥的两象限低频功率单元的原理示意图；

图5 为与图3和图4对应的符号简图。

图中：1、整流变压器，2、两象限低频功率单元，3、高压变频器主控系统,4、光电编码器，5、励磁控制器，6、输送机操控系统。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本实用新型实施例加以说明：

一种带式输送机低频直驱中高压变频器，基于低频功率单元及其工程设计法并主要由整流变压器1和A、B、C三组两象限低频功率单元2、高压变频器主控系统3和高分辨率编码器4、磁场控制器5等组成，稳定输出频率范围通常为0.1Hz~17.0Hz，结合所述的中高压变频器的合理选型，在此频率范围内具有所需要的的过载能力，静动态性能满足带式输送机的要求，用于驱动低速直联的交流输送机，包括他励低速同步机、永磁低速同步机或低速异步机。所述的整流变压器1具有一套原边绕组和多套副边绕组，多套副边绕组为同相（相位差为0°）；所述A、B、C三组中的每组副边绕组至少串接有一个两象限低频功率单元，所述的两象限低频功率单元为3*j个，j=1、2......；所述的两象限低频功率单元2中的整流部分为二极管或二极管-可控硅三相整流桥，逆变部分为IGBT-H桥。

所述的两象限低频功率单元的输入端有三个：R、S、T，通过电缆与整流变压器副边绕组的输出端相连，输出端为两个：U、V，通过母排引出；A相第一两象限低频功率单元的U输出端与B相第一两象限低频功率单元的U输出端以及C相第一两象限低频功率单元的U输出端连接为一起形成所述中高压变频器的中性点Q；即，将A1.U-B1.U-C1.U通过电缆相连。

A相中第一个低频功率单元的V输出端与A相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；A相最后一个低频功率单元的V输出端构成A相输出；即，A相的A1.V-A2.U、A2.V.....-Aj.U串接，构成所述中高压变频器的A相，A相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的A相相连；

B相中第一个低频功率单元的V输出端与B相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；B相最后一个低频功率单元的V输出端构成B相输出；即，B相的B1.V-B2.U、B2.V.....-Bj.U串接，构成所述中高压变频器的B相，B相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的B相相连；

C相中第一个低频功率单元的V输出端与C相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；C相最后一个低频功率单元的V输出端构成C相输出；即，C相的C1.V-C2.U、C2.V.....-Bj.U串接，构成所述中高压变频器的B相，C相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的B相相连。

实施例一如图1所示，并结合图3、图4和图5，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器驱动一台他励低速同步机。例如，供电电网的额定电压为10kV，低速同步机额定功率为1000kW、电压为6kV，励磁整流变压器另设，整流变压器的过载倍数取1.3倍，要求所述带式输送机低频直驱中高压变频器的过载倍数大于2.0倍，功率因数按1.0计；选定：所述的整流变压器原边输入电压、额定功率、副边绕组的数量分别为：10kV、1560kVA（>2.0*1000/1.3=1538kW）和15台（见表1），所述的两象限低频功率单元按低频功率单元及其工程设计法进行设计。

实施例二如图2所示，并结合图3、图4和图5，由多套所述的带式输送机低频直驱中高压变频器按主从结构，分别驱动同一带式输送机的多台低速交流电机，其中一套为主机，其他为从机；所述的主机和从机分别与输送机操控系统6中PLC组成网络通讯系统，所述的PLC可任意定义主机和从机并按实用需要进行变换，包括实现允许任一单机在脱机状态下的应急运行，所述的主机具有完整的速度、电流和电压闭环并实时将速度环输出的数据传送给PLC，所述的从机与主机共用一个速度环并实时从PLC获得速度环输出的数据作为从机的力矩电流给定信号。

为了实现所述的任一单机在脱机状态下的应急运行，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器及其所驱动的低速电动机具有所需要的过载倍数大于或等于n/(n-1)倍（n为同一带式输送机额定配置的低速电动机的数量，n=2、3、4等），例如：双机至少为2倍，三机至少为1.5倍，四机至少为1.4倍，以此类推。

实施例一和二中，如果所述的带式输送机低频直驱中高压变频器驱动的低速交流电机是永磁低速同步机或低速异步机，励磁控制器5可以省略。

在上述实施例中，三相副边绕组的额定输出（R、S、T）线电压通常为AC600V，经三相整流桥整流平波及储能，所述的两象限低频功率单元中母排（+E、0V）间的电压基本稳定于850（600*√2）V，所述的两象限低频功率单元额定输出（U、V）相电压通常标定为AC700V（实际输出可大于AC700V）。所述的带式输送机低频直驱中高压变频器的每相串接的两象限低频功率单元可以是一个或数个，因此，根据每相串接所述的低频功率单元数量的不同，可组成不同电压等级的所述的带式输送机低频直驱中压或高压变频器，驱动不同电压等级的中压或高压低速交流电机，如表1所示；包括他励低速同步机、永磁低速同步机或低速异步机，所述的低速交流电机为悬臂式并与输送机卷筒同轴安装，额定转速通常为每分钟数十转及以下，额定频率通常小于17.0Hz，最低运行频率可能为0.1Hz甚至更低，要求与之配套使用的所述中高压变频器应具有较大的调速范围，如170（17.0Hz/0.1Hz），结合所述中高压变频器的选型，确保在所述频率范围（0.1~17.0Hz)内，所述的中高压变频器具有所需要的过载能力，静动态性能满足带式输送机的要求。

表1 所述带式输送机低频直驱中高压变频器的各种电压等级

序号	每相功率单元的串接数量（台/级）	变频器输出额定电压（3相，V）	可驱动低速电动机额定电压（3相，kV）	说明
					1	1	1212	1.14	中压
2	2	2424	2.3	中压
					3	3	3637	3.5/3.3	中压
4	4	4849	4.0/4.16	中压
					5	5	6062	5.5/6.0	高压
6	6	7275	6.3/6.6/6.9	高压
					7	8	9699	10.0	高压
8	9	10912	11.0	高压
					9	11	13337	13.0	高压

所述的带式输送机低频直驱中高压变频器，只具有单向能量传输功能，能量传输方向从从网侧指向低速交流电机侧，低速交流电机从所述的中高压变频器吸收电能并将电能转化成机械能，驱动带式输送机；也可用于驱动需要其他需要两象限运行的机械设备，如低速交流电机拖动的大中型辊压机和磨机等。

所述的高压变频器主控系统3和所述的低频功率单元2的控制器主要由DSP、CPLD、FPGA和逻辑及接口电路组成。主控系统3通过转子磁场定向矢量控制方法将来自输送机操控系统6的指令转化成频率和力矩的控制信号，并通过光纤控制低频功率单元2，所述的低频功率单元控制器将这些控制信号翻译成两相两组IGBT的触发信号并保证同相中上下桥臂间互锁，从而输出相应的频率和力矩信号满足带式输送机平滑调速的需要，同时将低频功率单元2的一些信息和状态返回主控系统3，主控系统3将这些信息和状态进行逻辑处理后，作为所述的中高压变频器运行的信息和状态，返回输送机操控系统6。输送机操控系统6主要由PLC及其接口电路组成，根据所述的中高压变频器的信息和状态及其他条件作出逻辑判定，从而更有效地控制带式输送机的有效运行。

所述的光电编码器4与带式输送机卷筒（低速交流电机）的主轴同心安装，用于测量低速交流电机转子的位置和转速，作为高压变频器主控系统3中转子磁场定向矢量控制的重要信号之一，转子位置的定位准确性直接决定了所述中高压变频器输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响高压变频器的调速范围，精度越高，调速范围越大；所述的编码器4为绝对值或增量两种型式，每套所述的带式输送机低频直驱中高压变频器配套一台编码器，一一对应。

所述的励磁控制器5的输入端与整流变压器1相应的三相副边绕组输出端相连，或者另设励磁整流变压器为励磁控制器供电，用于控制他励低速同步机的励磁电流，根据实际使用情况，可恒定励磁或可变励磁；作为选项，当驱动永磁低速同步机或低速异步机的情况下，不需要励磁控制器5。

所述的带式输送机低频直驱中高压变频器，重要的特征在于输出频率范围为0.1Hz~17.0Hz，基于低频功率单元及其工程设计法并结合所述中高压变频器的合理选型，确保全程满转矩并具有所需要的的过载倍数，满足带式输送机恒力矩负载的平滑调速需要，具有良好的静动态性能，且谐波分量小功率因数高，符合相关标准的要求。为此，所述的转子磁场定向闭环矢量控制方法还包括采取如下措施。

措施之一，建立合适的低速交流电机数学模型，将所述的带式输送机低频直驱中高压变频器的驱动对象通过方程式表明输入量与输出量的数学关系，包括定转子的电压方程式、定转子的磁链方程式、转矩方程式、电动机及其拖动的带式输送机的机电运动方程式。

措施之二，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器能够对低速交流电机技术参数进行有效自动测量并自适应。技术参数包括：定子绕组的阻抗、感抗和漏抗，转子绕组的阻抗、感抗和漏抗，定转子绕组间的感抗，励磁绕组的阻抗，等。

措施之三，在低频运行状态下，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器能够对对上述方程式以及某些技术参数进行有效合理的补偿。

措施之四，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器主要由两象限低频功率单元组成，并按照所述的工程设计法进行有效设计；逆变部分的调制方式采用SPWM（正弦波脉宽调制），并且调制开关频率相当于传统高压变频器的1.5倍及以上，例如传统高压变频器的调制开关频率为1.2kHz，所述的带式输送机低频直驱中高压变频器调制开关频率至少为1.8kHz。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种带式输送机低频直驱中高压变频器，其特征在于：一种带式输送机低频直驱中高压变频器，所述的低频直驱中高压变频器具有用以为其提供电压的整流变压器；所述的整流变压器具有一套原边绕组和3*j套副边绕组，j=1、2.....；3*j套副边绕组为同相绕组；每套副边绕组串接有一台两象限低频功率单元；所述的两象限低频功率单元的数量与副边绕组相对应至少为3*1个，并形成A、B、C三相；所述两象限低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的整流单元和二电平IGBT-H型逆变桥；所述的整流单元连接在整流变压器副边绕组的三相输出端；所述的整流单元为二极管或二极管-可控硅三相整流桥；所述的整流单元与二电平IGBT-H型逆变桥之间并接有储能电容和均压电阻，对两象限低频功率单元进行储能和平波；所述的二电平IGBT-H型逆变桥通过IGBT驱动器与功率单元控制器相连通；所述功率单元控制器与高压变频器主控系统相连通；所述的两象限低频功率单元的输出端为两个：U输出端、V输出端；

A相第一个两象限低频功率单元的U输出端与B相第一个两象限低频功率单元的U输出端以及C相第一个两象限低频功率单元的U输出端连接为一起形成所述中高压变频器的中性点Q；

A相中第一个低频功率单元的V输出端与A相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；A相最后一个低频功率单元的V输出端构成A相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的A相相连；

B相中第一个低频功率单元的V输出端与B相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；B相最后一个低频功率单元的V输出端构成B相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的B相相连；

C相中第一个低频功率单元的V输出端与C相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；C相最后一个低频功率单元的V输出端构成C相输出，所述的V输出端与低速交流电机定子绕组的B相相连。

2.如权利要求1所述的一种带式输送机低频直驱中高压变频器，其特征在于：低频直驱中高压变频器为一套，所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出与低速同步电动机定子绕组相连接。

3.如权利要求1所述的一种带式输送机低频直驱中高压变频器，其特征在于：所述的低频直驱中高压变频器至少为两套，每套所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出均与所对应的低速同步电动机定子绕组相连接，且多套所述的低频直驱中高压变频器均与输送机操控系统相连接。

4.如权利要求2所述的一种带式输送机低频直驱中高压变频器，其特征在于：对应所述的低速同步电动机设置有用于控制他励低速同步机励磁电流的励磁控制器，所述的励磁控制器与整流变压器相应三相副边绕组的输出端相连接，或对应所述的励磁控制器设置有用以为其供电的励磁整流变压器。

5.如权利要求2所述的一种带式输送机低频直驱中高压变频器，其特征在于：所述低速同步电动机通过高分辨率光电编码器与高压变频器主控系统相连接，高分辨率光电编码器与带式输送机卷筒的主轴同心安装。