專利名稱：一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制異步電動機的防爆變頻裝置，特別是一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置。
背景技術(shù)：
變頻器為電力傳動應(yīng)用帶來了低損耗、高性能的特點，但煤礦井下具有高瓦斯、高濕度的特點，通用變頻器不能在井下使用。近年來，國內(nèi)外開發(fā)了多種中小功率礦用防爆變頻器，但功率未見超過500kW。目前國內(nèi)尚不能提供帶脈寬調(diào)制(PWM)整流有源前端整流單元從電網(wǎng)汲取正弦波交流，經(jīng)整流后輸出直流電壓，并保持所要求的電壓值(AFE)的防爆變頻器，整流單元采用二極管不控整流方式，諧波較大，功率因數(shù)不高，沒有回饋單元，采用能耗制動方式，效率低；中壓變頻器逆變單元的研究集中在功率器件串聯(lián)的兩電平拓撲或單元移相串聯(lián)方式。 國外企業(yè)能提供整流和逆變都采用PWM方式的防爆變頻器，尚未見到雙三電平結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型目的是要提供一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置，解決變頻器不能提供帶PWM整流有源前端的防爆變頻器，及諧波較大、功率因數(shù)低及效率低的問題。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的該變頻裝置的三相交流電源通過三相變壓器與三相電抗器相連接，三相電抗器的二次側(cè)與整流器相連接，給變頻裝置提供需要的三相電源；整流器和逆變器的輸入端相連接，逆變器輸出端與異步鼠籠機相連接；整流器電壓檢測、整流器電流檢測和整流器溫度檢測及逆變器電壓檢測、逆變器電流檢測和逆變器溫度檢測，控制輸出端均與控制系統(tǒng)的控制輸入端連接?？刂葡到y(tǒng)的控制輸出端的整流脈沖和逆變脈沖分別與整流器和逆變器的控制輸入端連接。所述的整流器和逆變器在主回路拓撲結(jié)構(gòu)上相同，均采用二極管嵌位式三電平橋路；每個橋臂選用兩只串聯(lián)的功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT ；每個絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管；在第一功率器件和第二功率器件的連接處以及第三功率器件和第四功率器件的連接處之間串有兩只嵌位二極管，兩只嵌位二極管之間與直流母線的零母線相連；在整流器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸入端，每一組連接一相輸入電源；在逆變器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸出端，每一組為一相輸出電源。有益效果，由于采用了上述方案，采用交-直-交變頻方式，主回路采用“ 背-靠-背(back-back)”雙三電平拓撲結(jié)構(gòu)，整流器和逆變器均采用電壓空間矢量 (SVPWM)技術(shù)，亦稱磁鏈軌跡法。無須增加任何附加電路就能實現(xiàn)變頻器再生能量向電網(wǎng)的回饋，實現(xiàn)能量雙向流動。不需要增加任何濾波裝置就可以滿足國家對變頻設(shè)備規(guī)定的使用要求，并且裝機容量可達到1. 5MW。滿足交流異步鼠籠電機調(diào)速要求，并且對電機沒有特殊要求，特別是對于調(diào)速精度要求高、動態(tài)響應(yīng)要求快的場合尤其適用。裝置輸出波形質(zhì)量優(yōu)良，無需增加任何濾波裝置就可以使諧波含量遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)。由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，加上使用自關(guān)斷器件和開關(guān)頻率的大幅度提高，使饋入電網(wǎng)的電流為與電網(wǎng)相電壓相位相反的正弦波，系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除了變頻裝置對電網(wǎng)的諧波污染。同時，由于AFE有源前端的引入， 能實現(xiàn)能量從電機和電網(wǎng)之間的雙向流動，使得整個系統(tǒng)除負載做功和變頻裝置器件損耗外無任何能量的損失，完全符合國家節(jié)能減排的規(guī)劃要求。突破了二電平變頻器功率小的瓶頸，實現(xiàn)了 500kW-1500kW大功率礦用防爆變頻器的應(yīng)用。解決了變頻器不能提供帶PWM 整流有源前端的防爆變頻器，及諧波較大、功率因數(shù)低及效率低的問題，達到了本實用新型的目的。優(yōu)點采用優(yōu)化設(shè)計，符合國家規(guī)定在一定爆炸危險場所的防爆要求，可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下對變頻裝置的工況特殊需求，能滿足各種動態(tài)響應(yīng)要求高的交流調(diào)速場合。采用矢量控制，系統(tǒng)具有快速的動態(tài)性能，能滿足各種轉(zhuǎn)矩需求，調(diào)速平滑且無轉(zhuǎn)矩脈動。采用三電平主回路拓撲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生3階輸出電壓，電流總諧波畸變率低，電磁噪聲小，動靜態(tài)性能優(yōu)良。且開關(guān)頻率低、損耗小、效率高。采用基于前饋解耦控制算法PWM有源前端(AFE)，不但能實現(xiàn)真正意義上的主動四象限運行，還使諧波含量達到最小。在線電機參數(shù)辨識和自適應(yīng)控制，使控制系統(tǒng)具有很高的魯棒性，使用不受場合和環(huán)境的影響。無速度傳感器技術(shù)的應(yīng)用，更使系統(tǒng)大大簡化，解決了由于速度傳感器安裝不當(dāng)或精度不夠影響系統(tǒng)性能的問題。冷卻方式采用熱導(dǎo)系數(shù)較高的熱管散熱器，不但外形美觀，且完全滿足各種惡劣環(huán)境下的使用要求。使用一種現(xiàn)代化的、易快速安裝及結(jié)構(gòu)清晰的功率疊層母線，用于電源、電容、功率器件等的連接，實現(xiàn)了一種功率分配的高速公路。

圖1本實用新型的三電平防爆變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2本實用新型的雙三電平變換器的整流器和逆變器的結(jié)構(gòu)圖。圖中1、三相交流電源；2、三相變壓器；3、三相電抗器；4、整流器；5、逆變器；6、 異步鼠籠機；7、整流器電壓檢測；8、整流器電流檢測；9、整流器溫度檢測；10、逆變器電壓檢測；11、逆變器電流檢測；12、逆變器溫度檢測；13、整流脈沖；14、逆變脈沖；15、控制系統(tǒng)。
具體實施方式
實施例1 該變頻裝置的三相交流電源1通過三相變壓器2與三相電抗器3相連接，三相電抗器3的二次側(cè)與整流器4相連接，給變頻裝置提供需要的三相電源。整流器4 和逆變器5的輸入端相連接，逆變器5輸出端與異步鼠籠機6相連接；整流器電壓檢測7、 整流器電流檢測8和整流器溫度檢測9及逆變器電壓檢測10、逆變器電流檢測11和逆變器溫度檢測12，控制輸出端均與控制系統(tǒng)15的控制輸入端連接。控制系統(tǒng)15的控制輸出端的整流脈沖13和逆變脈沖14分別與整流器和逆變器的控制輸入端連接。所述的整流器4和逆變器5在主回路拓撲結(jié)構(gòu)上相同，均采用二極管嵌位式三電平橋路；每個橋臂選用兩只串聯(lián)的功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT ；每個絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管；在第一功率器件和第二功率器件的連接處以及第三功率器件和第四功率器件的連接處之間串有兩只嵌位二極管，兩只嵌位二極管之間與直流母線的零母線相連；在整流器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸入端，每一組連接一相輸入電源；在逆變器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸出端，每一組為一相輸出電源。本發(fā)明大功率三電平防爆變頻裝置由主回路、傳感器和控制系統(tǒng)組成三相交流電源1、三相變壓器2、三相電抗器3、整流器4、逆變器5、異步鼠籠機6、整流器電壓檢測7、 整流器電流檢測8、整流器溫度檢測9、逆變器電壓檢測10、逆變器電流檢測11、逆變器溫度檢測12、整流脈沖13、逆變脈沖14、控制系統(tǒng)15。在主回路方面三相交流電源1和三相變壓器2相連接，將電網(wǎng)高壓變成相應(yīng)等級的電壓，然后和三相電抗器3相連接，三相電抗器3的二次側(cè)和整流器4相連接，給變頻裝置提供需要的三相電源。整流器4和逆變器5的直流母線(+、-、0)相連接，逆變器5輸出三相幅值、頻率、相位皆可調(diào)電壓和異步鼠籠機6相連接?？刂撇糠址謩e為整流器的整流器電壓檢測7、整流器電流檢測8和整流器溫度檢測9，以電壓輸出的形式到控制系統(tǒng)15，逆變器電壓檢測10、逆變器電流檢測11和逆變器溫度檢測12，以同樣的方式輸出到控制系統(tǒng)15。控制系統(tǒng)15在檢測變頻器所需信號的同時， 分別通過整流脈沖13和逆變脈沖14給整流器和逆變器提供觸發(fā)脈沖?？刂葡到y(tǒng)采用高性能DSP作為主控CPU，并結(jié)合CPLD組成智能光纖觸發(fā)。為保證系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性，采用矢量控制方式，并在基于優(yōu)化的三電平空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)算法和充分利用數(shù)字信號處理DSP資源的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高集成度的單DSP三電平 SVPWM控制方式。有源前端方面采用了適合大功率應(yīng)用場合的具有準(zhǔn)確初始值的級聯(lián)可編程低通濾波器的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測器，有效的提高了控制系統(tǒng)的抗負載擾動和電網(wǎng)擾動的能力。控制系統(tǒng)還采用了三電平拓撲結(jié)構(gòu)下基于特殊激勵和免疫算法的電機參數(shù)在線辯識方法，并利用帶有相位補償功能的全階閉環(huán)磁鏈觀測器，實現(xiàn)了異步鼠籠機的無速度傳感器控制。根據(jù)能量的流向，雙三電平磁鏈軌跡法SVPWM交流調(diào)速系統(tǒng)運行狀態(tài)可以分為兩種(1)能量由三相交流電網(wǎng)流向電動機負載當(dāng)電動機處于拖動運行狀態(tài)時，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)系統(tǒng)中的整流器流向逆變器。 此時，整流器工作在整流狀態(tài)下，使用磁鏈軌跡法SVPWM方式控制交流網(wǎng)側(cè)的電流與電網(wǎng)相電壓同相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流；逆變器工作在逆變狀態(tài)下，逆變橋開關(guān)管在磁鏈軌跡法SVPWM控制下，輸出頻率與幅值可調(diào)的正弦電壓信號，實現(xiàn)交流電機的變頻調(diào)速。(2)電動機再生能量饋入三相交流電網(wǎng)在變頻調(diào)速過程中，當(dāng)電動機處于減速運行時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)。 此時，逆變器工作在整流狀態(tài)下，交流電動機的再生能量經(jīng)由逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二
5極管向中間直流環(huán)節(jié)的儲能電容充電，使電容器兩端電壓升高整流器工作在有源逆變狀態(tài)下，其開關(guān)元件在PWM控制下，將能量饋入交流電網(wǎng)中，完成能量的雙向流動。
權(quán)利要求1.一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置，其特征是該變頻裝置的三相交流電源 (1)通過三相變壓器(2)與三相電抗器(3)相連接，三相電抗器(3)的二次側(cè)與整流器(4) 相連接，給變頻裝置提供需要的三相電源；整流器(4)和逆變器(5)的輸入端相連接，逆變器(5)輸出端與異步鼠籠機(6)相連接；整流器電壓檢測(7)、整流器電流檢測(8)和整流器溫度檢測(9 )及逆變器電壓檢測(10 )、逆變器電流檢測(11)和逆變器溫度檢測(12 )，控制輸出端均與控制系統(tǒng)(15)的控制輸入端連接；控制系統(tǒng)(15)的控制輸出端的整流脈沖 (13)和逆變脈沖(14)分別與整流器和逆變器的控制輸入端連接。
2.按照權(quán)利要求1中所述的一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置，其特征在于所述的整流器(4)和逆變器(5)在主回路拓撲結(jié)構(gòu)上相同，均采用二極管嵌位式三電平橋路； 每個橋臂選用兩只串聯(lián)的功率器件，功率器件為絕緣柵極晶體管IGBT ；每個絕緣柵極晶體管IGBT自帶續(xù)流二極管；在第一功率器件和第二功率器件的連接處以及第三功率器件和第四功率器件的連接處之間串有兩只嵌位二極管，兩只嵌位二極管之間與直流母線的零母線相連；在整流器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸入端，每一組連接一相輸入電源；在逆變器中，第二功率器件與第三功率器件之間為電源輸出端，每一組為一相輸出電源。
專利摘要一種大功率三電平四象限防爆變頻裝置，屬于控制異步電動機的防爆變頻裝置。該變頻裝置的三相交流電源通過三相變壓器與三相電抗器相連接，三相電抗器的二次側(cè)與整流器相連接，給變頻裝置提供需要的三相電源。整流器和逆變器的輸入端相連接，逆變器輸出端與異步鼠籠機相連接；整流器電壓檢測、整流器電流檢測和整流器溫度檢測及逆變器電壓檢測、逆變器電流檢測和逆變器溫度檢測，控制輸出端均與控制系統(tǒng)的控制輸入端連接?？刂葡到y(tǒng)的控制輸出端的整流脈沖和逆變脈沖分別與整流器和逆變器的控制輸入端連接。該防爆變頻裝置能在惡劣環(huán)境下對三相鼠籠異步電動機進行控制，控制電磁噪聲小，動靜態(tài)性能優(yōu)良；且開關(guān)頻率低、損耗小、效率高。
文檔編號H02J3/38GK201985816SQ20112013615
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者何鳳有, 徐志鷗, 李 浩, 譚國俊 申請人:徐州中礦大傳動與自動化有限公司