CN102832872B - 一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制*** - Google Patents

一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制*** Download PDF

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Abstract

一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，分别与电网和绕线式异步电机连接，包括：多电平矩阵变换器、A/D采样模块和矢量控制***。多电平矩阵变频器一侧与电网相连，另一侧直接与异步电机三相定子相连，进行交交直接变频和转速控制，实现高性能的矿井提升机调速控制，其进一步包括9×n级联单元模块矩阵。A/D采样模块与多电平矩阵变频器连接，用以采集电机的转速、电流和电压参数。矢量控制模块分别与多电平矩阵变频器和A/D采样模块连接，用以根据A/D采样模块所采集的转速、电流和电压参数，给出异步电机调速所需的定子电压矢量信号。本发明具有可实现能量双向流动、输入侧功率因数可调，输入电流谐波小、能耗低且易于集成的优点。

Description

一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***
技术领域
本发明涉及矿井提升机中的绕线式异步电机调速设备的应用领域，具体涉及一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***。
背景技术
在我国的矿井提升机中，由于绕线型异步电机具有结构简单、紧凑、坚固、容量大等优点，使绕线型异步电机驱动矿井提升机的调速模式得到广泛应用。目前该类提升机绝大部分都采用绕线异步电机转子串电阻调速，利用转子回路中电阻的不同组合使电机运行在不同的机械特性曲线上，从而达到调速的目的，但是其具有调速性能差，能耗高，维护工作量大，运行不经济等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，将H桥级联式变频技术和矩阵式变频调速技术相结合，形成了一种新型的绕线型异步电机驱动矿井提升机的交交直接变频调速***，该***具有可实现能量双向流动、输入侧功率因数可调，输入电流谐波小且能耗低的特点。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，分别与电网和绕线式异步电机连接，包括：多电平矩阵变换器、A/D采样模块和矢量控制***，其中，
多电平矩阵变频器一侧与电网相连，另一侧直接与异步电机三相定子相连，进行交交直接变频和转速控制，实现高性能的矿井提升机调速控制，其进一步包括9×n级联单元模块矩阵；
A/D采样模块与多电平矩阵变频器连接，用以采集电机的转速、电流和电压参数；
矢量控制模块分别与多电平矩阵变频器和A/D采样模块连接，用以根据A/D采样模块所采集的转速、电流和电压参数，给出异步电机调速所需的定子电压矢量信号。
依照本发明较佳实施例所述的基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，其9×n级联单元模块矩阵包括9个桥臂，每个桥臂由N个低压H桥变频模块级联而成，且级联桥臂为3×3的矩阵阵列，阵列的一侧的三相输入端与电网相连，另一侧的三相输出端直接与异步电机的三相定子相连。
依照本发明较佳实施例所述的基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，其低压H桥变频模块进一步包括低压H桥变频单元、子A/D采样模块和触发脉冲控制模块，其中，
低压H桥变频单元为四个IGBT开关与电解电容组成的桥式单相逆变器；
子A/D采样模块与低压H桥变频单元连接，用以采集电容电压；
触发脉冲控制模块分别与低压H桥变频单元和子A/D采样模块连接，用以与矢量控制模块进行通讯，传输电压信息，接收矢量控制模块的控制信号，驱动4个IGBT开关。
本发明采用异步电机矢量控制技术，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，并对其分别进行控制，从而达到对转速的闭环控制。与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用模块化设计，便于根据不同的***容量进行拓展，同时，冗余设计使得维护更加便利；相较于传统的两电平与三点平输出，多电平输出的谐波含量大大减少，降低了调速***的谐波，并且提高了输入侧的功率因数，且输出电流连续，提高了矿井提升机的提升效率，降低了传统绕线电机转子串电阻调速方式的能耗。
附图说明
图1为本发明一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***的拓扑结构图；
图2为本发明实施例的低压H桥变频单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的多电平矩阵变频调速***主回路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图详细讲解本发明专利提供的一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***的结构及原理。
请同时参阅图1至图2，一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，分别与电网4和绕线式异步电机5连接，包括：多电平矩阵变换器1、A/D采样模块2和矢量控制***3。多电平矩阵变频器1一侧与电网4相连，另一侧直接与异步电机5的三相定子相连，进行交交直接变频和转速控制，实现高性能的矿井提升机调速控制，其包括9×n级联单元模块矩阵，且9×n级联单元模块矩阵包括9个桥臂，每个桥臂由N个低压H桥变频模块级联而成，且级联桥臂为3×3的矩阵阵列，阵列的一侧的三相输入端与电网4相连，另一侧的三相输出端直接与异步电机5的三相定子相连。A/D采样模块2与多电平矩阵变频器1连接，用以采集电机的转速、电流和电压参数。矢量控制模块3分别与多电平矩阵变频器1和A/D采样模块2连接，用以根据A/D采样模块2所采集的转速、电流和电压参数，给出异步电机调速所需的定子电压矢量信号。
低压H桥变频模块进一步包括低压H桥变频单元6、子A/D采样模块7和触发脉冲控制模块8。低压H桥变频单元6为四个IGBT开关与电解电容组成的桥式单相逆变器。子A/D采样模块7与低压H桥变频单元6连接，用以采集电容电压。触发脉冲控制模块8分别与低压H桥变频单元6和子A/D采样模块7连接，用以与矢量控制模块3进行通讯，传输电压信息，接收矢量控制模块3的控制信号，驱动4个IGBT开关。
本发明采用异步电机矢量控制技术，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，并对其分别进行控制，从而达到对转速的闭环控制。其具体工作原理如下：通过三相输入电压对中点电容充电到一个恒定直流电压，实现多电平矩阵变换器1的能量传递，选择适当的开关组合和控制策略，能在变换器两侧合成低次谐波含量少且近似正弦的可控输入/输出电压，不同开关状态可以合成不同等级的电压电平。多电平矩阵变换器1与异步电机5的三相定子相连，该***采用传统的异步电机矢量控制方法，其定向磁链为转子磁链。
请再参阅图3，其为本发明实施例的多电平矩阵变频调速***主回路原理图。多电平矩阵变频调速***主回路包括6kV电网，三相高压断路器K1，K2和K3，充电电阻R，接触器JC1，多电平矩阵变换器1，电压传感器CYH，电流传感器HCT1和HCT2，功率为800kW的绕线式异步电机。在多电平矩阵变频调速***正常运行时，断路器K3断开，断路器K1和K2闭合。***刚启动时，接触器JC1断开，充电电阻R接入***中，防止冲击电流产生；***启动结束后，接触器JC1闭合，充电电阻R退出***，调速***开始正常运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用模块化设计，便于根据不同的***容量进行拓展，同时，冗余设计使得维护更加便利；相较于传统的两电平与三点平输出，多电平输出的谐波含量大大减少，降低了调速***的谐波，并且提高了输入侧的功率因数，且输出电流连续，提高了矿井提升机的提升效率，降低了传统绕线电机转子串电阻调速方式的能耗。
以上所述，仅是本发明的较佳实施实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于多电平矩阵变频器的矿井提升机调速控制***，分别与电网和绕线式异步电机连接，其特征在于，包括：多电平矩阵变频器、A/D采样模块和矢量控制***，其中，
所述多电平矩阵变频器一侧与电网相连，另一侧直接与异步电机三相定子相连，进行交交直接变频和转速控制，实现高性能的矿井提升机调速控制，其进一步包括9×n级联单元模块矩阵；所述9×n级联单元模块矩阵包括9个桥臂，每个所述桥臂由N个低压H桥变频模块级联而成，且所述级联桥臂为3×3的矩阵阵列，所述阵列的一侧的三相输入端与电网相连，另一侧的三相输出端直接与异步电机的三相定子相连；所述低压H桥变频模块进一步包括低压H桥变频单元、子A/D采样模块和触发脉冲控制模块，其中，
所述低压H桥变频单元为四个IGBT开关与电解电容组成的桥式单相逆变器；
所述子A/D采样模块与所述低压H桥变频单元连接，用以采集电容电压；
所述触发脉冲控制模块分别与所述低压H桥变频单元和子A/D采样模块连接，用以与所述矢量控制***进行通讯，传输电压信息，接收矢量控制***的控制信号，驱动4个IGBT开关；
所述A/D采样模块与所述多电平矩阵变频器连接，用以采集电机的转速、电流和电压参数；
所述矢量控制***分别与所述多电平矩阵变频器和A/D采样模块连接，用以根据所述A/D采样模块所采集的转速、电流和电压参数，给出异步电机调速所需的定子电压矢量信号。
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