专利名称：一种大功率三电平四象限防爆变频装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制异步电动机的防爆变频装置，特别是一种大功率三电平四象限防爆变频装置。
背景技术：
变频器为电力传动应用带来了低损耗、高性能的特点，但煤矿井下具有高瓦斯、高湿度的特点，通用变频器不能在井下使用。近年来，国内外开发了多种中小功率矿用防爆变频器，但功率未见超过500kW。目前国内尚不能提供带脉宽调制(PWM)整流有源前端整流单元从电网汲取正弦波交流，经整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值(AFE)的防爆变频器，整流单元采用二极管不控整流方式，谐波较大，功率因数不高，没有回馈单元，采用能耗制动方式，效率低；中压变频器逆变单元的研究集中在功率器件串联的两电平拓扑或单元移相串联方式。 国外企业能提供整流和逆变都采用PWM方式的防爆变频器，尚未见到双三电平结构产品。
发明内容本实用新型目的是要提供一种大功率三电平四象限防爆变频装置，解决变频器不能提供带PWM整流有源前端的防爆变频器，及谐波较大、功率因数低及效率低的问题。本实用新型的目的是这样实现的该变频装置的三相交流电源通过三相变压器与三相电抗器相连接，三相电抗器的二次侧与整流器相连接，给变频装置提供需要的三相电源；整流器和逆变器的输入端相连接，逆变器输出端与异步鼠笼机相连接；整流器电压检测、整流器电流检测和整流器温度检测及逆变器电压检测、逆变器电流检测和逆变器温度检测，控制输出端均与控制系统的控制输入端连接。控制系统的控制输出端的整流脉冲和逆变脉冲分别与整流器和逆变器的控制输入端连接。所述的整流器和逆变器在主回路拓扑结构上相同，均采用二极管嵌位式三电平桥路；每个桥臂选用两只串联的功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT ；每个绝缘栅极晶体管IGBT自带续流二极管；在第一功率器件和第二功率器件的连接处以及第三功率器件和第四功率器件的连接处之间串有两只嵌位二极管，两只嵌位二极管之间与直流母线的零母线相连；在整流器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输入端，每一组连接一相输入电源；在逆变器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输出端，每一组为一相输出电源。有益效果，由于采用了上述方案，采用交-直-交变频方式，主回路采用“ 背-靠-背(back-back)”双三电平拓扑结构，整流器和逆变器均采用电压空间矢量 (SVPWM)技术，亦称磁链轨迹法。无须增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网的回馈，实现能量双向流动。不需要增加任何滤波装置就可以满足国家对变频设备规定的使用要求，并且装机容量可达到1. 5MW。满足交流异步鼠笼电机调速要求，并且对电机没有特殊要求，特别是对于调速精度要求高、动态响应要求快的场合尤其适用。装置输出波形质量优良，无需增加任何滤波装置就可以使谐波含量远低于国家标准。由于PWM整流器闭环控制作用，加上使用自关断器件和开关频率的大幅度提高，使馈入电网的电流为与电网相电压相位相反的正弦波，系统的功率因数约等于1，消除了变频装置对电网的谐波污染。同时，由于AFE有源前端的引入， 能实现能量从电机和电网之间的双向流动，使得整个系统除负载做功和变频装置器件损耗外无任何能量的损失，完全符合国家节能减排的规划要求。突破了二电平变频器功率小的瓶颈，实现了 500kW-1500kW大功率矿用防爆变频器的应用。解决了变频器不能提供带PWM 整流有源前端的防爆变频器，及谐波较大、功率因数低及效率低的问题，达到了本实用新型的目的。优点采用优化设计，符合国家规定在一定爆炸危险场所的防爆要求，可适应各种恶劣环境下对变频装置的工况特殊需求，能满足各种动态响应要求高的交流调速场合。采用矢量控制，系统具有快速的动态性能，能满足各种转矩需求，调速平滑且无转矩脉动。采用三电平主回路拓扑结构，产生3阶输出电压，电流总谐波畸变率低，电磁噪声小，动静态性能优良。且开关频率低、损耗小、效率高。采用基于前馈解耦控制算法PWM有源前端(AFE)，不但能实现真正意义上的主动四象限运行，还使谐波含量达到最小。在线电机参数辨识和自适应控制，使控制系统具有很高的鲁棒性，使用不受场合和环境的影响。无速度传感器技术的应用，更使系统大大简化，解决了由于速度传感器安装不当或精度不够影响系统性能的问题。冷却方式采用热导系数较高的热管散热器，不但外形美观，且完全满足各种恶劣环境下的使用要求。使用一种现代化的、易快速安装及结构清晰的功率叠层母线，用于电源、电容、功率器件等的连接，实现了一种功率分配的高速公路。
图1本实用新型的三电平防爆变频器系统结构图。图2本实用新型的双三电平变换器的整流器和逆变器的结构图。图中1、三相交流电源；2、三相变压器；3、三相电抗器；4、整流器；5、逆变器；6、 异步鼠笼机；7、整流器电压检测；8、整流器电流检测；9、整流器温度检测；10、逆变器电压检测；11、逆变器电流检测；12、逆变器温度检测；13、整流脉冲；14、逆变脉冲；15、控制系统。
具体实施方式
实施例1 该变频装置的三相交流电源1通过三相变压器2与三相电抗器3相连接，三相电抗器3的二次侧与整流器4相连接，给变频装置提供需要的三相电源。整流器4 和逆变器5的输入端相连接，逆变器5输出端与异步鼠笼机6相连接；整流器电压检测7、 整流器电流检测8和整流器温度检测9及逆变器电压检测10、逆变器电流检测11和逆变器温度检测12，控制输出端均与控制系统15的控制输入端连接。控制系统15的控制输出端的整流脉冲13和逆变脉冲14分别与整流器和逆变器的控制输入端连接。所述的整流器4和逆变器5在主回路拓扑结构上相同，均采用二极管嵌位式三电平桥路；每个桥臂选用两只串联的功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT ；每个绝缘栅极晶体管IGBT自带续流二极管；在第一功率器件和第二功率器件的连接处以及第三功率器件和第四功率器件的连接处之间串有两只嵌位二极管，两只嵌位二极管之间与直流母线的零母线相连；在整流器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输入端，每一组连接一相输入电源；在逆变器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输出端，每一组为一相输出电源。本发明大功率三电平防爆变频装置由主回路、传感器和控制系统组成三相交流电源1、三相变压器2、三相电抗器3、整流器4、逆变器5、异步鼠笼机6、整流器电压检测7、 整流器电流检测8、整流器温度检测9、逆变器电压检测10、逆变器电流检测11、逆变器温度检测12、整流脉冲13、逆变脉冲14、控制系统15。在主回路方面三相交流电源1和三相变压器2相连接，将电网高压变成相应等级的电压，然后和三相电抗器3相连接，三相电抗器3的二次侧和整流器4相连接，给变频装置提供需要的三相电源。整流器4和逆变器5的直流母线(+、-、0)相连接，逆变器5输出三相幅值、频率、相位皆可调电压和异步鼠笼机6相连接。控制部分分别为整流器的整流器电压检测7、整流器电流检测8和整流器温度检测9，以电压输出的形式到控制系统15，逆变器电压检测10、逆变器电流检测11和逆变器温度检测12，以同样的方式输出到控制系统15。控制系统15在检测变频器所需信号的同时， 分别通过整流脉冲13和逆变脉冲14给整流器和逆变器提供触发脉冲。控制系统采用高性能DSP作为主控CPU，并结合CPLD组成智能光纤触发。为保证系统动态响应的快速性，采用矢量控制方式，并在基于优化的三电平空间矢量脉宽调制 (SVPWM)算法和充分利用数字信号处理DSP资源的基础上，实现了高集成度的单DSP三电平 SVPWM控制方式。有源前端方面采用了适合大功率应用场合的具有准确初始值的级联可编程低通滤波器的虚拟电网磁链观测器，有效的提高了控制系统的抗负载扰动和电网扰动的能力。控制系统还采用了三电平拓扑结构下基于特殊激励和免疫算法的电机参数在线辩识方法，并利用带有相位补偿功能的全阶闭环磁链观测器，实现了异步鼠笼机的无速度传感器控制。根据能量的流向，双三电平磁链轨迹法SVPWM交流调速系统运行状态可以分为两种(1)能量由三相交流电网流向电动机负载当电动机处于拖动运行状态时，能量由交流电网经系统中的整流器流向逆变器。 此时，整流器工作在整流状态下，使用磁链轨迹法SVPWM方式控制交流网侧的电流与电网相电压同相位，实现单位功率因数整流；逆变器工作在逆变状态下，逆变桥开关管在磁链轨迹法SVPWM控制下，输出频率与幅值可调的正弦电压信号，实现交流电机的变频调速。(2)电动机再生能量馈入三相交流电网在变频调速过程中，当电动机处于减速运行时，由于负载惯性作用进入发电状态。 此时，逆变器工作在整流状态下，交流电动机的再生能量经由逆变器中开关元件和续流二
5极管向中间直流环节的储能电容充电，使电容器两端电压升高整流器工作在有源逆变状态下，其开关元件在PWM控制下，将能量馈入交流电网中，完成能量的双向流动。
权利要求1.一种大功率三电平四象限防爆变频装置，其特征是该变频装置的三相交流电源 (1)通过三相变压器(2)与三相电抗器(3)相连接，三相电抗器(3)的二次侧与整流器(4) 相连接，给变频装置提供需要的三相电源；整流器(4)和逆变器(5)的输入端相连接，逆变器(5)输出端与异步鼠笼机(6)相连接；整流器电压检测(7)、整流器电流检测(8)和整流器温度检测(9 )及逆变器电压检测(10 )、逆变器电流检测(11)和逆变器温度检测(12 )，控制输出端均与控制系统(15)的控制输入端连接；控制系统(15)的控制输出端的整流脉冲 (13)和逆变脉冲(14)分别与整流器和逆变器的控制输入端连接。
2.按照权利要求1中所述的一种大功率三电平四象限防爆变频装置，其特征在于所述的整流器(4)和逆变器(5)在主回路拓扑结构上相同，均采用二极管嵌位式三电平桥路； 每个桥臂选用两只串联的功率器件，功率器件为绝缘栅极晶体管IGBT ；每个绝缘栅极晶体管IGBT自带续流二极管；在第一功率器件和第二功率器件的连接处以及第三功率器件和第四功率器件的连接处之间串有两只嵌位二极管，两只嵌位二极管之间与直流母线的零母线相连；在整流器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输入端，每一组连接一相输入电源；在逆变器中，第二功率器件与第三功率器件之间为电源输出端，每一组为一相输出电源。
专利摘要一种大功率三电平四象限防爆变频装置，属于控制异步电动机的防爆变频装置。该变频装置的三相交流电源通过三相变压器与三相电抗器相连接，三相电抗器的二次侧与整流器相连接，给变频装置提供需要的三相电源。整流器和逆变器的输入端相连接，逆变器输出端与异步鼠笼机相连接；整流器电压检测、整流器电流检测和整流器温度检测及逆变器电压检测、逆变器电流检测和逆变器温度检测，控制输出端均与控制系统的控制输入端连接。控制系统的控制输出端的整流脉冲和逆变脉冲分别与整流器和逆变器的控制输入端连接。该防爆变频装置能在恶劣环境下对三相鼠笼异步电动机进行控制，控制电磁噪声小，动静态性能优良；且开关频率低、损耗小、效率高。
文档编号H02J3/38GK201985816SQ20112013615
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者何凤有, 徐志鸥, 李 浩, 谭国俊 申请人:徐州中矿大传动与自动化有限公司