CN203377835U

CN203377835U - 矿用防爆型三电平变频调速装置

Info

Publication number: CN203377835U
Application number: CN201320385502.1U
Authority: CN
Inventors: 许开成; 陆文涛; 朱海军; 李志远
Original assignee: Tangshan Kaicheng Electronic Control and Equipment Group Co Ltd
Current assignee: CITIC HIC Kaicheng Intelligence Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2023-07-01

Abstract

本实用新型公开了一种矿用防爆型三电平变频调速装置，采用二极管钳位式三电平逆变单元的拓扑结构，它的实现是直流侧由两个电容串联，每个电容的电压为直流母线电压的一半，每相有上、下两个桥臂，每个桥臂由两个开关管串联，并通过两个二极管钳位到直流母线的中点。与二电平变频器相比，该逆变单元每相可以输出三种电平，假设直流母线电压为Vdc，若以母线中点为参考点，则输出电平分别定义为：+Vdc/2、0、-Vdc/2，此三种输出状态分别为P、O、N。它通过直流侧的分压和开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形接近正弦波，且能有效地提高换流***的耐压，降低谐波含量和开关损耗，更适用于大容量高电压的场合。

Description

矿用防爆型三电平变频调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种矿用防爆型三电平变频调速装置，用于对煤矿井下风机、水泵、带式输送机等高压大容量运输***的调速。

背景技术

在煤矿井下，变频调速技术在低压小功率范围己得到广泛应用，多采用两电平逆变器，其主电路拓扑结构、控制方法与控制策略都比较成熟，市场上也有大量品牌的成熟产品可供选择。但变频调速技术在中高压大功率交流传动中遇到很多困难，主要有下面的问题：

1、煤矿井下大容量电动机的供电电压较高，由于组成变频器的功率器件的耐压等级和承受电流的限制，造成匹配上的困难，同时两电平逆变器输出谐波含量大，高压供电时对电机不利；

2、高压大功率变频调速***技术含量高、难度大、成本高，而一般的风机、水泵等节能改造项目都要求低投入、高回报，从而造成经济效益上的难题。

3、在煤矿井下风机、水泵、带式输送机应用的高压大容量防爆型变频装置均采用开关器件并联或选用高耐压大容量的开关器件来实现，开关器件并联经常会出现电流不均，导致局部发热，致使开关器件损坏，且开关器件的成本较高。

4、在煤矿井下应用的高压大容量防爆型变频装置的开关器件在关断状态下承受的压降为直流母线电压，在关断过程中，di/dt的值通常会很大，因此电磁干扰问题严重。

发明内容

本实用新型提供一种矿用防爆型三电平变频调速装置，其目的在于解决煤矿井下高压大容量变频器应用中存在的问题。目前，煤矿井下高压大容量变频器的逆变单元采用高压大容量的IGBT或是将IGBT并联使用，其二电平逆变单元采用PWM脉宽调制方法，电压输出谐波含量高、电磁干扰严重、开关损耗和成本较高；对于我国电压等级情况，要驱动电压等级大的电机，则必须采用功率器件串联的方法才能提升输出电压等级。而功率器件的串联会引起一系列的问题，如器件的动态均压、静态均压和di/dt限制等问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用二极管钳位式三电平逆变单元拓扑结构，直流侧由两个电容串联，每个电容的电压为直流母线电压的一半，每相有上、下两个桥臂，每个桥臂由两个开关管串联，并通过两个二极管钳位到直流母线的中点。与二电平变频器相比，该逆变单元每相可以输出三种电平，假设直流母线电压为Vdc，若以母线中点为参考点，则输出电平分别定义为：+Vdc/2、0、-Vdc/2，此三种输出状态分别为P、O、N。该结构与普通的二电平结构相比，输出电压电平数由2个增加至3个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压，输出线电压的电平数由3个增加至5个，在同等开关频率的条件下，可使输出波形质量有较大的改善，输出di/dt也相应下降，降低了谐波含量，使电机的使用寿命延长。

本实用新型专利的有益效果：可产生多层梯形输出电压，对阶梯型波再作调制可以得到近似的正弦波；在此结构下IGBT关断状态下承受的压降为直流母线电压的一半，因此其在关断的过程中，dv/dt的值通常只有相同电压等级的二电平变频器IGBT的一半，从而降低电磁干扰的问题；二电平PWM控制算法开关频率高，损耗大，三电平逆变器可用较低频率进行开关动作，损耗小，效率高；主要高次谐波远高于开关频率，可以大大降低***对电网的污染。

附图说明

图1 矿用防爆型三电平变频调速装置组成框图

图2 矿用防爆型三电平变频调速装置逆变单元拓扑图

具体实施方式

图1为矿用防爆型三电平变频调速装置组成框图，该装置由主回路和控制回路组成。主回路包括输入电抗器1、整流单元2、平波单元3、逆变单元4、输出电抗器6。控制回路包含主控电路8、接口电路10、键盘显示7、光纤驱动板9、电流传感器5。

电网电压通过输入电抗器1接到整流单元2的输入，整流单元2的输出与平波电容3并联接到逆变单元4的输入端。逆变单元4与输出电抗器6串联接到电机。

电网对平波单元3进行充电，平波单元3由两个电容串联，两个电容的中点为三电平电压输出的零点电平；为了使电容两端承受的电压相同，两端分别并联一个电阻，并采用叠成母排的形式，减小线路上的电感量，以减小关断时的电压尖峰。根据平波单元3的容量，预充电时间设为7s，当平波单元3的电压达到设定的直流母线电压，充电电阻两端的电压尖峰达到预定值，且交流电压峰值与母线电压的差值非常小时，接触器开始吸合，通过接触器的一个常开点把信号传送给主控电路8，则预充电完成；整流单元2把交流电整定成直流，平波单元3进行滤波，逆变单元4把直流电变成交流电；接口电路10对***的电流、电压、温度信号进行检测和采样，传送到主控电路进行控制，同时发出驱动信号对逆变单元4进行控制。逆变单元4每个桥臂由两个开关管串联，并通过两个二极管钳位到直流母线的中点；该逆变单元4每相可以输出三种电平，假设直流母线电压为Vdc，若以母线中点为参考点，则输出电平分别定义为：+Vdc/2、0、-Vdc/2。

变频器的主控电路8为变频器的控制核心，实现对整台变频器的控制、SVPWM输出和矢量控制。主控电路中DSP芯片的电源为+3.3V，最大的电压不能超过+3.6V，在供电电路中引入稳压管进行稳压。主控电路8具备键盘显示接口、外控通讯接口、主从通讯接口、控制端子、接口电路接口。键盘显示接口与键盘显示模块相连接；外控通讯接口为MODBUS通讯接口，其他控制***可采用MODBUS-RTU通讯协议与该变频器通讯进行数据采样、起停控制、速度给定。接口电路接口为主控电路与接口电路相连接的接口，实现输入交流电压采样、直流电压采样、温度采样、三相输出电流采样、故障信号采样，并发出驱动信号，把温度信号转换成电信号传送到主控电路；电流信号是通过霍尔传感器进行检测变比，传到主控电路。控制端子包括开关量输入、继电器反馈、模拟量输入、模拟量输出、使能端子。开关量输入用于其他控制***（输送机控制***）对变频器起停控制、多段速度选择、正反转选择等；继电器反馈用于其他控制***（输送机控制***）对变频器运行、故障状态的监视；模拟量输入用于其他控制***（输送机控制***）对变频器的速度给定；模拟量输出用于其他控制***（输送机控制***）对变频器运行速度、电流、电压、温度的监视。变频器的控制信号线需要穿过铁氧体磁环，屏蔽电磁干扰，引线时需要与电源线分开引线。

变频器的接口电路10作为变频器的信号接口电路，采集输入电压、直流母线电压、模块温度、输出电流，并将主控电路8发出的驱动信号变成光纤信号送到光纤驱动板9，驱动模块的开关，接口电路需要接入+24V、+15V、+5V、-15V电源。

图2为矿用防爆型三电平变频调速装置逆变单元拓扑图，主要由IGBT开关管和二极管构成，通过将多个功率器件串联，按一定的开关控制产生需要的电平级数，在输出端合成相应的正弦波。以U相为例，电容C1、C2为变换电路提供了两个相同的直流电压，二极管D5、D6用于电平钳位。同时导通T1、T2，关断T3、T4时，在逆变单元输出端可以获得一个正电平；同时导通T2、T3，关断T1、T4时输出电压为零；同时导通T3、T4，关断T1、T2时，可在输出端得到一个负电平；输出零电平主要是靠T2、T3和二极管D5、D6共同作用实现的。通过对T1—T4四个开关器件的控制，可以在输出端合成三电平的波形。主要的工作情况如下：

1、给T1、T2导通触发脉冲，T3、T4关断时；如负载电流为流入方向（相对于负载），则电源对电容C1充电，电流流过主管T1、T2，忽略管压降，该相端出电压U=Vdc/2；如负载电流为流出方向，电流流过与主管T1、T2并联的续流二极管D1、D2对电容C1充电，则该相输出端电压是U=Vdc/2。

2、给T2、T3导通触发脉冲，T1、T4关断时；如负载电流为流入方向，则电源对电容C1充电，电流流过钳位二极管D5、主管T2，此时该相输出端电压U=0；如负载电流为流出方向，电流流过主管T3，再流过钳位二极管D6，电源对电容C2充电，则该相输出端电压是U=0。

3、给T3、T4导通触发脉冲，T1、T2关断时；如负载电流为流入方向，则电源对电容C2充电，电流流过主管T3、T4，该相输出端电压U=- Vdc/2；如负载电流为流出方向，电流流过主管与T3、T4并联的续流二极管D3、D4对电容C2充电，则该相输出端电压是U=-Vdc/2。

目前常用的控制策略有正弦PWM(SPWM)和空间矢量PWM(SVPWM)。SVPWM方式采用逆变器可能输出的矢量组合去逼近目标矢量的方式来实现对开关器件的控制，分为开环和闭环两种。开环方式为计算好当前所需要得到的矢量，然后采用相应的输出矢量去逼近；闭环方式又分为VC和DTC两种，它们不仅仅通过计算的方式来得到开关状态和作用时间，同时还对实际的输出电量参数进行解耦、辨识，将辨识好的参数反馈，实现闭环运行，使得***的动态响应和控制精度大大提高。SVPWM的优点是对电输出矢量直接控制，使得电机运行平稳，特性提高。

煤矿井下风机、水泵、刮板运输机应用的矿用防爆型三电平变频调速装置与二电平的安装方式相同，由于平波单元采用的是薄膜电容，体积相对较小，薄膜电容的安装采用的是叠层母排结构，使其桥臂上电感量减小，有效的抑制关断过程中产生的电压尖峰。三电平逆变器可用低频进行开关动作，损耗小。由于开关器件的关断不是瞬时完成的，有一定的关断时间，在关断时间内，其电压快速升高，电流快速降低，自身的瞬时损耗功率是电压与电流的乘积，因此每次的开关动作都会有损耗。对于相同直流母线电压来说，三电平的开关器件的峰值电压只有二电平的一半，因此单次开关动作时的损耗小，其总损耗小。

Claims

1.一种矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征为：该装置由主回路和控制回路组成,主回路包括输入电抗器（1）、整流单元（2）、平波单元（3）、逆变单元（4）和输出电抗器（6），控制回路包含主控电路（8）、接口电路（10）、键盘显示（7）、光纤驱动板（9）和电流传感器（5）;电网电压通过输入电抗器（1）接到整流单元（2）的输入，整流单元（2）的输出与平波单元（3）的电容并联接到逆变单元（4）的输入端，逆变单元（4）与输出电抗器（6）串联接到电机;主控电路（8）通过接口与接口电路（10）和键盘显示（7）相连，光纤驱动板（9）和电流传感器（5）分别与接口电路（10）相连。

2.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：电网对平波单元进行充电，根据平波单元的容量预充电时间设为7s，当平波单元的电压达到设定的直流母线电压，充电电阻两端的电压尖峰达到预定值，接触器开始吸合，通过接触器的一个常开点把信号传送给主控电路，则预充电完成；整流单元把交流电整定成直流，平波单元进行滤波，逆变单元把直流电变成交流电；接口电路对***的电流、电压、温度信号进行检测和采样，同时传送到主控电路进行控制，发出驱动信号对逆变单元进行控制。

3.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：温度信号转换成电信号传送到主控电路；电流信号则是通过霍尔传感器进行检测变比，传到主控电路。

4.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：平波单元是由两个电容串联，电容的两端分别并联一个电阻，两个电容的中点为三电平电压输出的零点电平。

5.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：逆变单元每个桥臂由两个IGBT开关管串联，并通过两个二极管钳位到直流母线的中点；该逆变单元每相可以输出三种电平，假设直流母线电压为Vdc，若以母线中点为参考点，则输出电平分别定义为：+Vdc/2、0、-Vdc/2。

6.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：平波单元采用叠成母排的形式，减小线路上的电感量，从而减小关断时的电压尖峰。

7.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：主控电路中DSP芯片的电源电压为+3.3V，最大电压不能超过+3.6V，在供电电路中引入稳压管进行稳压。

8.根据权利要求1所述的矿用防爆型三电平变频调速装置，其特征是：接口电路实现输入交流电压采样、直流电压采样、温度采样、三相输出电流采样、故障信号采样，并发出驱动信号，接口电路需要接入+24V、+15V、+5V、-15V电源。