專利名稱：復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種串級調(diào)速裝置，特別涉及一種復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
我國是一個電力資源非常短缺的國家，節(jié)能作為一項重要的技術(shù)政策，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。風(fēng)機和水泵在國民經(jīng)濟各部門中應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)統(tǒng)計，全國風(fēng)機和水泵的耗電量占到整個工業(yè)用電量的40%以上，而風(fēng)機、水泵一般在運行中都要進行負(fù)荷調(diào)節(jié)，相應(yīng)的流量也要跟蹤調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是調(diào)節(jié)入口或出口的閥門開度，使得風(fēng)機、水泵用電量的30%-40%消耗在調(diào)節(jié)閥門及管網(wǎng)壓降上，這是一種效益差、能耗大、設(shè)備損壞快、維修量大、運行費用高的落后辦法，不僅造成了電能的巨大浪費，而且與經(jīng)濟運行標(biāo)準(zhǔn)也有相當(dāng)大的差距。如果對風(fēng)機、水泵進行調(diào)速，則可以取得很好的節(jié)能效果，提高經(jīng)濟效益。目前比較有發(fā)展前景的高壓大功率調(diào)速技術(shù)應(yīng)該是串級調(diào)速技術(shù)和高壓變頻技術(shù)，其中串級調(diào)速技術(shù)是從電機轉(zhuǎn)子側(cè)來實現(xiàn)調(diào)速，而高壓變頻調(diào)速技術(shù)是直接從定子側(cè)來調(diào)速，兩者各有千秋。但是對于那些調(diào)速性能要求不高，調(diào)速范圍不寬的高壓大功率風(fēng)機、水泵，串級調(diào)速是一種比較經(jīng)濟可行的調(diào)速方案。然而傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)存在功率因數(shù)低、諧波含量大等缺點，并且目前工業(yè)現(xiàn)場使用的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的斬波器大多采用開環(huán)控制，其動態(tài)性能不好，轉(zhuǎn)子整流電流不可控，容易發(fā)生過流故障，使得裝置的可靠性降低，這些都影響了串級調(diào)速在風(fēng)機、泵類負(fù)載調(diào)速場合的推廣應(yīng)用。目前關(guān)于串級調(diào)速裝置的已公開的專利大致有以下幾類
(I)傳統(tǒng)型這種類型主電路拓?fù)渲饕烧髂K，逆變模塊構(gòu)成，沒有斬波模塊，其功率因數(shù)比較低，直流脈動也大，如專利CN02109096. 3所公開的定子雙繞組內(nèi)反饋串級調(diào)速高壓電動機及其調(diào)速控制裝置。(2)開環(huán)控制型這種類型主電路雖然也帶有斬波環(huán)節(jié)，但是其不足是采用開環(huán)控制，容易發(fā)生過流保護，且斬波環(huán)節(jié)不是采用移相控制，直流電流脈動大。如專利02260070所公開的內(nèi)反饋式高頻斬波交流調(diào)速裝置。(3)閉環(huán)控制型這種類型主電路斬波器帶有閉環(huán)控制，但是由于其電流環(huán)采用兩點式滯環(huán)控制，IGBT開關(guān)頻率不固定，有的高達(dá)好幾千赫玆，開關(guān)損耗比較大，散熱比較難。如專利200710122573所公開的IGBT逆變器中壓電動機斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。(4)逆變顛覆保護型這種類型在有源逆變器直流側(cè)串聯(lián)IGBT來防止逆變顛覆，后端全部采用IGBT來構(gòu)成有源逆變器，不僅控制比較復(fù)雜，而且其成本比較高，接近高壓變頻器成本，因此在價格上不占有優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在串級調(diào)速裝置功率因數(shù)低、諧波含量大的問題，提出了一種復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其具有斬波電流脈動小、調(diào)速平穩(wěn)、快速過流及掉電故障保護的特點。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，包括內(nèi)饋電機、串級調(diào)速裝置和控制模塊，內(nèi)饋電機包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和調(diào)節(jié)繞組，串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分，內(nèi)饋電機轉(zhuǎn)子繞組電流分別依次經(jīng)過串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分后輸出返回到內(nèi)饋電機的調(diào)節(jié)繞組，串級調(diào)速裝置的斬波部分輸出的電流信號和來自測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機處取得的速度信號同時送入控制模塊，控制模塊根據(jù)速度和電流雙閉環(huán)控制算法以及錯相控制法產(chǎn)生的錯相的斬波脈沖到串級調(diào)速裝置的斬波部分，同時有源逆變脈沖信號到串級調(diào)速裝置的逆變部分。所述串級調(diào)速裝置斬波部分由兩個斬波模塊并聯(lián)而成，每個斬波模塊由電感、絕緣柵雙極晶體管、吸收二極管和輸出二極管組成，串聯(lián)的電感和絕緣柵雙極晶體管接整理部分輸出兩端，吸收二極管并聯(lián)在絕緣柵雙極晶體管兩端，串聯(lián)的電感和絕緣柵雙極晶體管中間連接點經(jīng)過輸出二極管接逆變部分，斬波部分輸出和逆變部分輸入端并聯(lián)有儲能電容。所述逆變部分為有源逆變器，由三組串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管和可控硅晶體管并聯(lián)組成，三個絕緣柵雙極晶體管上都并聯(lián)吸收二極管，三個絕緣柵雙極晶體管和可控硅晶體管的連接點接所述內(nèi)饋電機的調(diào)節(jié)繞組。所述控制模塊包括數(shù)字信號處理器、可編程的邏輯控制器和人機界面，數(shù)字信號處理器處理信號，通過人機界面設(shè)定的給定信號和通過測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機得到的反饋信號，經(jīng)過一階濾波器送往速度環(huán)，速度環(huán)的輸出量是電流環(huán)的給定信號，電流環(huán)的反饋信號是從斬波模塊輸入端經(jīng)過霍爾器件得到，同樣是經(jīng)過一階濾波器送往電流環(huán)，電流環(huán)的輸出為占空比控制變量，送到斬波脈沖發(fā)生器，形成觸發(fā)脈動，并經(jīng)過脈沖放大器輸出，再經(jīng)過錯相控制產(chǎn)生兩個錯相的斬波脈沖對斬波部分的兩個絕緣柵雙極晶體管進行通斷控制。所述數(shù)字信號處理器錯相控制產(chǎn)生兩個錯相的斬波脈沖的相位差為0 1/N，其中N為復(fù)合斬波模塊個數(shù)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，采用數(shù)字信號處理器對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波器實行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，且斬波器采用錯相控制，減小直流電流脈動，使其性能和可靠性得到提高，同時對傳統(tǒng)有源逆變器進行改造，采用全控器件IGBT構(gòu)成有源逆變器的上橋臂，下橋臂依然采用半控器件晶閘管SCR構(gòu)成，這樣不僅可以快速的進行過流保護，還可以有效防止系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時存在晶閘管逆變顛覆的問題。因此采用新的電力電子技術(shù)及新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波器實行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，使之共同作用于串級調(diào)速，在技術(shù)上將會使串級調(diào)速系統(tǒng)上升一個臺階。


圖I為本發(fā)明復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置中主電路示意 圖2為本發(fā)明復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置中控制模塊示意 圖3為本發(fā)明復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置中雙閉環(huán)控制示意 圖4為傳統(tǒng)斬波器進行斬波得到的電流波形圖；圖5為本發(fā)明復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置中采用錯相控制得到的波形
圖。
具體實施例方式本發(fā)明的具有快速過流及掉電故障保護的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置如圖I所示主電路示意圖和如圖2所示控制模塊示意圖。主電路包括內(nèi)饋電機I與串級調(diào)速裝置兩部分構(gòu)成。其中內(nèi)饋電機又分為三個部分，定子繞組(流過的電流為厶)，轉(zhuǎn)子繞組(流過的電流為厶)，調(diào)節(jié)繞組(流過的電流為If\串級調(diào)速裝置包括整流部分2，斬波部分3和逆變部分5。其中整流部分2中的整流器為大功率二極管構(gòu)成的三相整流橋DR，其功能是把來自所述轉(zhuǎn)子繞組交流電4變成直流電。斬波部分3由兩個相位差90° (相位差0=^1/N，這里N=2 N是復(fù)合斬波模塊個數(shù))的斬波模塊構(gòu)成，斬波模塊包括連接至三相整流橋DR —輸出端的電感，電感的另一端分別連接至輸出二極管D4的正極和由第一絕緣柵雙極晶體管以及反向并聯(lián)在第二絕緣柵雙極晶體管兩端的輸出二極管D6組成的第二并聯(lián)電路的一端，并聯(lián)電路的另一端連接至三相整流橋的另一輸出端；具體地，本實例中的一個斬波模塊包括電感L1、連接在電感L1另一端的IGBT1、反向并聯(lián)在IGBTl兩端的吸收二極管Dl和其正極同樣連接至L1另一端的輸出二極管D4，流入IGBTl的電流是士 ；另一斬波模塊包括L2、連接在電感L2另一端的IGBT2、反向并聯(lián)在IGBT2兩端的吸收二極管D2和其正極同樣連接至匕另一端的輸出二極管D6，流入IGBT2的電流是i2。兩個斬波模塊在A，B兩點相連接，其中A是分開點，B點是匯集點。兩個斬波模塊由控制模塊進行速度電流雙閉環(huán)控制，且兩個斬波1旲塊之間實行錯相控制，提聞了等效開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗和直流電流脈動。斬波模塊后端連接于儲能電容4，儲能電容4后端連接有源逆變器5，即B點連接至電容C的正極。逆變部分5包括有源逆變器，本發(fā)明的有源逆變器同傳統(tǒng)逆變器不同的地方是上橋臂包括可控電力電子器件IGBT構(gòu)成。如圖I所示，IGBT3, IGBT5, IGBT7構(gòu)成有源逆變器的上橋臂，且每個IGBT器件的兩端反向并聯(lián)一二極管，分別為03，05，07;而下橋臂由可控硅晶體管SCR4，SCR6, SCR8構(gòu)成。有源逆變器中串聯(lián)的上橋臂和下橋臂的連接點D、E、F三點連接內(nèi)饋電機的調(diào)節(jié)繞組側(cè)，其逆變電流是If?？刂颇！缞A，用于給主電路中的IGBT器件和SCR期間提供脈沖作為控制信號，包括數(shù)字信號處理器6 (DSP控制器)、可編程的邏輯控制器7 (PLC)和人機界面8。其中DSP控制器6接收從斬波部分3輸出的電流信號
I5和來自測速接近開關(guān)101從內(nèi)饋電機I處取得的信號&，根據(jù)雙閉環(huán)控制算法以及錯相
控制法產(chǎn)生的錯相的斬波脈沖PWMl和PWM2分別輸出至IGBTl和IGBT2的控制端，另外DSP控制器6還產(chǎn)生有源逆變脈沖PWM3、PWM5、PWM7和PUL4、PUL6、PUL8分別輸出至有源逆變部器5中的器件IGBT3、IGBT5、IGBI7和SCR4、SCR6、SCR8的控制端。PLC7根據(jù)從DSP控制器6中取得的信息對斬波部分3和逆變部分5進行工藝控制，同時在斬波部分3或逆變部分5出現(xiàn)非正常工作狀態(tài)時，(即過流、過壓或掉電等)，反饋信息至DSP控制器6以使其不輸出脈沖至斬波部分3或逆變部分5。一具體的實例中，DSP控制器6芯片可采用Ti公司的TMS320LF2407，PLC可采用西門子S200，DSP控制器6與PLC7之間通過RS485進行數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)串級調(diào)速的斬波器采用開關(guān)控制，而本發(fā)明的斬波模塊采用速度、電流雙閉環(huán)控制，其雙閉環(huán)控制示意如圖3所示其中外環(huán)是速度環(huán)，它的給定信號是通過人機界面進行設(shè)定，反饋信號~是通過測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機得到的，并經(jīng)過一階濾波器
送往速度環(huán)ASR，速度環(huán)的輸出量丨二^是電流環(huán)的給定信號，電流環(huán)的反饋信號,^ (即為圖
I中的A )是從斬波模塊輸入端經(jīng)過霍爾器件得到，同樣是經(jīng)過一階濾波器送往電流環(huán)ACR， 電流環(huán)的輸出D就是占空比控制變量，送到斬波脈沖發(fā)生器，形成觸發(fā)脈動，并經(jīng)過脈沖放大器輸出至斬波模塊中的IGBT進行通斷控制。其中本實例中，根據(jù)占空比D產(chǎn)生脈沖PWMl輸出至IGBTl的控制端。另根據(jù)對占空比D進行錯相處理后得到另一占空比數(shù)值，將該占空比數(shù)值送到斬波脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生與脈沖PWMl有相位差的脈沖PWM2輸出至IGBT2的控制端，形成斬波模塊的錯相控制。具體的，脈沖PWMl和脈沖PWM2的相位差由N的選值決定，0 =Ji/N，這里 N=2。因此，本發(fā)明的斬波模塊除了進行速度電流雙閉環(huán)控制外，兩個斬波器還采用錯相控制，這樣可以提高等效開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗和直流電流脈動。圖4是傳統(tǒng)斬波器進行斬波得到的電流波形，圖5是采用錯相控制不同斬波模塊的電流波形(相位差為90° )以及兩個電流波形合成后的合成波形，從其合成波形可以看出，其直流脈動與傳統(tǒng)斬波器的相比，等效開關(guān)頻率為傳統(tǒng)斬波器的兩倍，因此直流脈動比較小。DSP控制器主要完成(1)兩個斬波模塊的速度電流雙閉環(huán)控制算法，PWM脈沖的產(chǎn)生；(2)斬波模塊的錯相控制；(3)有源逆變器的控制算法及相應(yīng)脈沖的產(chǎn)生；(4)過流、過壓等要求快速性的故障保護。PLC主要完成整個系統(tǒng)的工藝控制及相應(yīng)器件的動作，其中包括系統(tǒng)啟動及斬波器的工藝控制，有源逆變器的工藝控制。此外，PLC還通過串行通信與人機見面進行數(shù)據(jù)交換，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送往人機界面進行顯示，同時接收人機界面上的指令動作。傳統(tǒng)串級調(diào)速后端采用晶閘管有源逆變，因此其是電壓自然過零點關(guān)斷，這樣一旦系統(tǒng)電網(wǎng)電壓掉電，則直流側(cè)電容電壓與交流電網(wǎng)側(cè)容易發(fā)生逆變顛覆故障，且晶閘管是半控器件，因此在發(fā)生逆變過流時，不能立即關(guān)斷，因此容易發(fā)生逆變過流故障，損壞晶閘管。而上橋臂采用可控器件IGBT，這樣在系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時，IGBT器件可以立即關(guān)斷，而不用等到電網(wǎng)電壓自然過零點才關(guān)斷，可以有效防止逆變顛覆故障。此外，當(dāng)DSP控制器檢測到逆變電流過大時，能夠迅速控制IGBT關(guān)斷，快速對逆變電流故障進行保護。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其特征在于，包括內(nèi)饋電機、串級調(diào)速裝置和控制模塊，內(nèi)饋電機包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和調(diào)節(jié)繞組，串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分，內(nèi)饋電機轉(zhuǎn)子繞組電流分別依次經(jīng)過串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分后輸出返回到內(nèi)饋電機的調(diào)節(jié)繞組，串級調(diào)速裝置的斬波部分輸出的電流信號和來自測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機處取得的速度信號同時送入控制模塊，控制模塊根據(jù)速度和電流雙閉環(huán)控制算法以及錯相控制法產(chǎn)生的錯相的斬波脈沖到串級調(diào)速裝置的斬波部分，同時有源逆變脈沖信號到串級調(diào)速裝置的逆變部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其特征在于，所述串級調(diào)速裝置斬波部分由兩個斬波模塊并聯(lián)而成，每個斬波模塊由電感、絕緣柵雙極晶體管、吸收二極管和輸出二極管組成，串聯(lián)的電感和絕緣柵雙極晶體管接整理部分輸出兩端， 吸收二極管并聯(lián)在絕緣柵雙極晶體管兩端，串聯(lián)的電感和絕緣柵雙極晶體管中間連接點經(jīng)過輸出二極管接逆變部分，斬波部分輸出和逆變部分輸入端并聯(lián)有儲能電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其特征在于， 所述逆變部分為有源逆變器，由三組串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管和可控硅晶體管并聯(lián)組成，三個絕緣柵雙極晶體管上都并聯(lián)吸收二極管，三個絕緣柵雙極晶體管和可控硅晶體管的連接點接所述內(nèi)饋電機的調(diào)節(jié)繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其特征在于， 所述控制模塊包括數(shù)字信號處理器、可編程的邏輯控制器和人機界面，數(shù)字信號處理器處理信號，通過人機界面設(shè)定的給定信號和通過測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機得到的反饋信號，經(jīng)過一階濾波器送往速度環(huán)，速度環(huán)的輸出量是電流環(huán)的給定信號，電流環(huán)的反饋信號是從斬波模塊輸入端經(jīng)過霍爾器件得到，同樣是經(jīng)過一階濾波器送往電流環(huán)，電流環(huán)的輸出為占空比控制變量，送到斬波脈沖發(fā)生器，形成觸發(fā)脈動，并經(jīng)過脈沖放大器輸出，再經(jīng)過錯相控制產(chǎn)生兩個錯相的斬波脈沖對斬波部分的兩個絕緣柵雙極晶體管進行通斷控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置，其特征在于， 所述數(shù)字信號處理器錯相控制產(chǎn)生兩個錯相的斬波脈沖的相位差為e = JI /N，其中N為復(fù)合斬波模塊相數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合斬波帶快速過流保護的串級調(diào)速裝置,采用數(shù)字信號處理器對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波器實行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，且斬波器采用錯相控制，減小直流電流脈動，使其性能和可靠性得到提高，同時對傳統(tǒng)有源逆變器進行改造，采用全控器件IGBT構(gòu)成有源逆變器的上橋臂，下橋臂依然采用半控器件晶閘管SCR構(gòu)成，這樣不僅可以快速的進行過流保護，還可以有效防止系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時存在晶閘管逆變顛覆的問題。因此采用新的電力電子技術(shù)及新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波器實行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，使之共同作用于串級調(diào)速，在技術(shù)上將會使串級調(diào)速系統(tǒng)上升一個臺階。
文檔編號H02H7/12GK102638222SQ201210120630
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者唐忠, 曹以龍, 江友華 申請人:上海電力學(xué)院