專利名稱：高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力電子變換技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一種交流繞線異步電動(dòng)機(jī)的串極調(diào) 速裝置，特指一種以不控整流單元、直流斬波、全控正弦逆變單元相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，斬波輸出 電壓采用動(dòng)態(tài)控制、轉(zhuǎn)差功率直接回饋電網(wǎng)或者電機(jī)反饋繞組。
背景技術(shù)：
串級(jí)調(diào)速作為異步電動(dòng)機(jī)普遍使用的調(diào)速方法之一，長(zhǎng)期以來(lái)人們進(jìn)行了大量研 究與實(shí)踐。傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速裝置由二極管整流器和可控硅逆變器構(gòu)成，如圖1所示，為傳統(tǒng)可 控硅串極調(diào)速裝置示意圖。其中1為二極管整流器，2為平波電抗器，3為可控硅全控逆變 器，4為逆變變壓器。裝置將轉(zhuǎn)子三相交流整流成直流并平波后，由有源逆變器提供串入的 直流反電勢(shì)同時(shí)，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率再逆變?yōu)楣ゎl交流，通過(guò)逆變變壓器回饋至電網(wǎng)吸收。等 效電勢(shì)大小的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)整逆變器的逆變角(移相觸發(fā))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速 是通過(guò)調(diào)整逆變器的逆變角(移相觸發(fā))來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)等效反電勢(shì)的調(diào)節(jié)，這種移相觸發(fā)的方 法存在著功率因數(shù)低及可靠性差的缺點(diǎn)。顯然，這一技術(shù)路線已不能滿足今后的發(fā)展要求。公知的直流斬波串極調(diào)速裝置一般由二極管整流橋、直流斬波單元及可控硅逆變 器組成，如圖2所示，為直流斬波串極調(diào)速裝置示意圖。其中1為二極管整流橋，2為直流斬 波單元，3可控硅逆變器，4逆變變壓器。這種串級(jí)調(diào)速裝置把逆變角固定下來(lái)并設(shè)在最小 值，產(chǎn)生一恒定的附加直流反電勢(shì)，等效電勢(shì)大小的調(diào)節(jié)由斬波器來(lái)完成。通過(guò)調(diào)節(jié)斬波器 導(dǎo)通時(shí)間與斬波周期的比率(即占空比或PWM調(diào)制脈寬)，來(lái)改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電 勢(shì)的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)逆變變壓器將轉(zhuǎn)差 功率吸收并回饋至電網(wǎng)。這種方法在輸入功率因數(shù)指標(biāo)方面要優(yōu)于傳統(tǒng)可控硅串極調(diào)速裝 置，但經(jīng)常發(fā)生逆變失敗的問(wèn)題，可靠性不高。
發(fā)明內(nèi)容為了克服傳統(tǒng)可控硅串極調(diào)速裝置及現(xiàn)有的直流斬波串極調(diào)速裝置在功率因數(shù) 和可靠性方面的不足，本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于提供一種高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝 置，以實(shí)現(xiàn)不僅能提高電機(jī)功率因數(shù)，而且能充分提高調(diào)速裝置可靠性的目的。本實(shí)用新型含有逆變變壓器、串極調(diào)速裝置功率組件及全數(shù)字控制器。串極調(diào)速控制裝置功率組件由不控整流單元、IGBT高頻斬波單元及IGBT逆變單 元串聯(lián)組成。不控整流單元由二極管整流橋組成，為三相全波整流，將轉(zhuǎn)子回路三相交流變?yōu)?直流，以便對(duì)轉(zhuǎn)子回路施加串直流電勢(shì)控制。斬波單元由功率開(kāi)關(guān)器件和直流輸出電感及直流濾波電容組成，采用了可自關(guān)斷 的大功率電子器件IGBT作為斬波器件，轉(zhuǎn)子回路附加電勢(shì)調(diào)節(jié)由IGBT斬波開(kāi)關(guān)來(lái)完成。斬 波開(kāi)關(guān)以恒頻調(diào)寬方式工作，即工作頻率一定，而開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)。這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)斬波開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與斬波周期的比率(即占空比或PWM調(diào)制脈寬)，便改變了串入轉(zhuǎn)子回路的等 效電勢(shì)的大小，從而改變轉(zhuǎn)子電流，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于采用了可自關(guān)斷的大功 率電子器件IGBT作為斬波器件，使得斬波頻率進(jìn)一步提高，直流電流更為平穩(wěn)，系統(tǒng)更為 緊湊，體積更小。逆變單元為三相全橋有源逆變器，由可自關(guān)斷的大功率電子器件IGBT構(gòu)建。裝置 工作于調(diào)速狀態(tài)時(shí)，將經(jīng)斬波控制后的轉(zhuǎn)差功率逆變?yōu)槿喙ゎl交流送至內(nèi)反饋繞組或逆 變變壓器?？朔藗鹘y(tǒng)的移相觸發(fā)對(duì)觸發(fā)脈沖和換相要求嚴(yán)格、脈沖移動(dòng)范圍大、抗干擾能 力差、易顛覆、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。同步信號(hào)取自內(nèi)反饋繞組或逆變變壓器的電壓信號(hào)，具 有抗干擾、多重?cái)?shù)字鎖相、自動(dòng)配相等功能。全數(shù)字控制器包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、、脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng) 和保護(hù)電路、數(shù)字信號(hào)微處理器及人機(jī)接口和通訊單元。所述轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)由轉(zhuǎn)速傳感器 及信號(hào)處理電路組成；所述電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)由直流環(huán)節(jié)電壓檢測(cè)部分及輸出直流側(cè)電流 檢測(cè)部分組成，直流環(huán)節(jié)電壓檢測(cè)部分，由電壓傳感器或電壓差分電路輸入端并接在直流 環(huán)節(jié)，檢測(cè)直流電壓，輸出直流側(cè)電流檢測(cè)部分，由電流傳感器或分流器串接在輸出端，檢 測(cè)輸出直流電流；所述數(shù)字信號(hào)微處理器，其模擬輸入為從電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)得到的檢測(cè) 電壓電流信號(hào)及從外部轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬輸入接口電路進(jìn)行變換，然 后輸入到數(shù)字信號(hào)微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，數(shù)字信號(hào)微處理器、包括脈寬調(diào)制輸出口和 作為輔助控制的2條I/O 口 ；所述脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，輸入為所述脈寬調(diào)制輸 出口的脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)及輔助控制的2條1/0，將主回路中的I/O信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入I/O電 路送入數(shù)字信號(hào)處理器的I/O接口，負(fù)責(zé)接收設(shè)備的故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能；輸出的 脈寬調(diào)制功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接斬波單元和逆變單元對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件；所述人機(jī)接口和通 信單元，通過(guò)CAN通信接口或485通信接口，接收PC機(jī)發(fā)出的運(yùn)行、暫停、停止等信號(hào)，完成 液晶屏的顯示及與PC機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、記錄和監(jiān)控功能。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、調(diào)速范圍寬，無(wú)級(jí)，平滑。2、具有良好的硬機(jī)械特性。3、串級(jí)調(diào)速是在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，因而其控制電壓低，僅幾百伏至一千多 伏，變流裝置控制容量小，對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，總控制容量?jī)H為電機(jī)額定容量的14. 815%。 串級(jí)調(diào)速裝置自身功耗小，比變頻調(diào)速低2至4百分點(diǎn)，因而效率最高。因變流容量小，變 流發(fā)生在轉(zhuǎn)子一側(cè)，因而諧波分量小。因變流容量小，變流電壓低，裝置可靠性高。調(diào)速系 統(tǒng)簡(jiǎn)單，尺寸小，占用場(chǎng)地少。4、由于采用最新斬波技術(shù)，使其功率因數(shù)、調(diào)速范圍、調(diào)速精度等指標(biāo)明顯提高。5、由于串級(jí)調(diào)速使用繞線式電機(jī)，能夠有效控制電機(jī)起動(dòng)電流。內(nèi)反饋式高頻斬 波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，省去了逆變變壓器及相關(guān)電氣設(shè)備，使得系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。6、本實(shí)用新型在工作原理上可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻掉電安全停機(jī)，避免了晶閘管相控逆 變裝置逆變失敗后損壞晶閘管的缺點(diǎn)。

圖1為傳統(tǒng)可控硅串級(jí)調(diào)速裝置電氣結(jié)構(gòu)示意圖；[0020]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中直流斬波串極調(diào)速裝置電氣結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型的主回路示意圖；圖4為本實(shí)用新型電路邏輯原理框圖。
具體實(shí)施方式
如圖3所示，其中1為不控整流單元，2為斬波單元，3為逆變單元，4為逆變變壓 器，構(gòu)成串極調(diào)速裝置功率組件。不控整流單元1、IGBT斬波單元2、IGBT逆變單元3串聯(lián)， 轉(zhuǎn)子三相電壓經(jīng)不控整流單元1整流后變?yōu)橹绷?，?jīng)斬波單元2處理后到逆變單元3輸出 交流電源，經(jīng)逆變變壓器4或電機(jī)的內(nèi)反饋繞組回饋到電網(wǎng)。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流等級(jí)不同，不控整流單元1可采用相應(yīng)等級(jí)的二極管，直 流斬波單元2和逆變單元3可采用相應(yīng)等級(jí)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，如IGBT (絕緣柵極雙 極性晶體管)，IPM(智能功率模塊)等，可實(shí)現(xiàn)不同電壓、電流等級(jí)的串極調(diào)速裝置。如圖4所示，本實(shí)用新型由逆變變壓器4、串極調(diào)速裝置功率組件5 (由不控整 流單元1、斬波單元2、逆變單元3串聯(lián)而成)、全數(shù)字控制器11組成，其中，全數(shù)字控制 器包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、數(shù)字信號(hào)微處理器、、脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng) 和保護(hù)電路、及人機(jī)接口和通訊單元。以高性能數(shù)字信號(hào)微處理器(DSP)9如TI公司的 TMS320LF2407A( —種高性能數(shù)字信號(hào)處理器)為核心，在其16路PWM(脈寬調(diào)制信號(hào))輸 出口中選取7路PWM (脈寬調(diào)制信號(hào))信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路8的驅(qū)動(dòng)電 路驅(qū)動(dòng)斬波單元的1個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和逆變單元的6個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié) 6由轉(zhuǎn)速傳感器及信號(hào)處理電路構(gòu)成，用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)7的轉(zhuǎn)子 電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)由電壓傳感器或電壓差分電路構(gòu)成，用于檢測(cè)母線電壓和輸出電壓；電流檢 測(cè)環(huán)節(jié)由分流器或電流傳感器構(gòu)成，用于檢測(cè)輸出電流。脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路8 的模擬輸入接口電路完成信號(hào)調(diào)理和隔離的功能，將轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速信號(hào)及電 壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行變換后輸入到DSP (數(shù)字信號(hào)微處理器9)的 模數(shù)轉(zhuǎn)換口。軟件實(shí)時(shí)計(jì)算出上述轉(zhuǎn)速信號(hào)與設(shè)定值的偏差，預(yù)測(cè)并發(fā)出實(shí)時(shí)的PWM(脈寬 調(diào)制信號(hào))控制脈沖，以此來(lái)動(dòng)態(tài)控制斬波電壓、電流及逆變電流。人機(jī)接口和通訊單元10 通過(guò)CAN通信接口或485通信接口完成液晶屏顯示以及與PC機(jī)的通信和監(jiān)控功能。全數(shù) 字控制器11的開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和系統(tǒng)故障保護(hù)功能。
權(quán)利要求一種高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，其特征在于含有逆變變壓器(4)、串極調(diào)速裝置功率組件(5)及全數(shù)字控制器(11)，串極調(diào)速裝置功率組件(5)由不控整流單元(1)、斬波單元(2)、逆變單元(3)分級(jí)串聯(lián)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，其特征在于所述不控整流 單元(1)由二極管整流橋組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，其特征在于所述斬波單元 (2)由功率開(kāi)關(guān)器件和直流輸出電感及直流濾波電容組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，其特征在于所述逆變單元 單元(3)為三相全橋有源逆變器，由可自關(guān)斷的功率開(kāi)關(guān)器件組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，其特征在于全數(shù)字控制器 (11)包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)(6)、轉(zhuǎn)子電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)(7)、脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路 (8)、數(shù)字信號(hào)微處理器(9)及人機(jī)接口和通訊單元(10)，所述轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)(6)由轉(zhuǎn)速傳感器及信號(hào)處理電路組成；所述轉(zhuǎn)子電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)(7)由直流環(huán)節(jié)電壓檢測(cè)部分及輸出直流側(cè)電流檢測(cè)部 分組成；直流環(huán)節(jié)電壓檢測(cè)部分，由電壓傳感器或電壓差分電路輸入端并接在直流環(huán)節(jié)，檢 測(cè)直流電壓；輸出直流側(cè)電流檢測(cè)部分，由電流傳感器或分流器串接在輸出端，檢測(cè)輸出直 流電流，所述脈寬調(diào)制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路(8)，輸入為所述脈寬調(diào)制輸出口的脈寬調(diào)制脈 沖信號(hào)及輔助控制的2條1/0，將主回路中的I/O信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入I/O電路送入數(shù)字信號(hào)處 理器的I/O接口，負(fù)責(zé)接收設(shè)備的故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能，輸出的脈寬調(diào)制功率驅(qū)動(dòng) 信號(hào)連接斬波單元和逆變單元對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件，所述數(shù)字信號(hào)微處理器(9)，其模擬輸入為從電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)得到的檢測(cè)電壓電流 信號(hào)及從外部轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬輸入接口電路進(jìn)行變換，然后輸入到 數(shù)字信號(hào)微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，數(shù)字信號(hào)微處理器、包括脈寬調(diào)制輸出口和作為輔助 控制的2條I/O 口，所述人機(jī)接口和通訊單元(10)，通過(guò)CAN通信接口或485通信接口，接收PC機(jī)發(fā)出的 運(yùn)行、暫停、停止等信號(hào)，完成液晶屏的顯示及與PC機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、記錄和監(jiān)控 功能。
專利摘要一種高頻斬波及逆變串極調(diào)速裝置，用于交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。含有逆變變壓器、串極調(diào)速裝置功率組件及全數(shù)字控制器。串極調(diào)速裝置功率組件由不控整流單元、斬波單元、逆變單元串聯(lián)組成；不控整流單元由二極管整流橋構(gòu)成，斬波單元由功率開(kāi)關(guān)器件和直流輸出電感組成；逆變單元由功率開(kāi)關(guān)器件組成；全數(shù)字控制器以高性能數(shù)字信號(hào)微處理器為核心生成脈寬調(diào)制信號(hào)控制信號(hào)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子直流輸出電壓、電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。本實(shí)用新型避免了傳統(tǒng)串極調(diào)速裝置在功率因數(shù)和可靠性方面的缺陷，可高效利用電能，實(shí)現(xiàn)模塊化組合、轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)的功能和安全掉電停機(jī)功能，通用性強(qiáng)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)H02P27/06GK201674458SQ20102019371
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者劉士杰, 熊士成, 陳暢 申請(qǐng)人:襄樊德普電氣有限公司;襄樊成林機(jī)電有限公司