专利名称：一种适用于矿井风机的交流调速系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及矿井提升机风机变频调速系统应用领域，尤其涉及一种适用于矿井风机的交流调速系统。
技术背景风机是煤矿生产中一种重要的旋转设备。目前，应用于矿井提升机风机调节风量的方式主要有调节阀门开度、高压变频调速及串级调速等。通过调节阀门开度来调节风量会使得30%左右的能量消耗在调节阀门上，这是一种高耗能、效益差的调节方法。高压变频调速是近年来运用到矿井风机中的一种调速方式，该方式属于定子侧变频技术，变频器的容量较大，成本高；串级调速属于转子侧变频技术，变频器的容量较小，节约成本。但是，传统的串级调速存在功率因数低、谐波含量大等缺点。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于矿井风机的交流调速系统，是一种基于矩阵变换器的矿井风机转子侧变频调速系统。为达到上述目的，本实用新型提供一种适用于矿井风机的交流调速系统，包括交流励磁电源、绕线式异步电机、数字控制系统和A/D采样模块，绕线式异步电机包括三相定子和三相转子，绕线式异步电机的三相定子直接与三相电网相连；交流励磁电源输入侧与三相电网相连，输出侧与绕线式异步电机的三相转子相连，用以实现绕线式异步电机的转子侧变频调速；A/D采样模块用以采集绕线式异步电机的电流、电压和转速信号；数字控制系统分别与交流励磁电源和A/D采样模块连接，用以根据A/D采样模块采集的数据进行矢量运算，并发出触发脉冲信号至交流励磁电源，从而控制交流励磁电源为绕线式异步电机转子侧提供频率可变的电源，实现绕线式异步电机变频调速。依照本实用新型较佳实施例所述的适用于矿井风机的交流调速系统，上述的交流励磁电源采用矩阵式变换器，其包括9个双向开关，且每个双向开关由两个IGBT反并联而成。本实用新型的有益效果为相较于传统的基于定子侧的高压变频调速系统而言，本实用新型采用基于转子侧的变频调速系统没有中间直流储能环节和输入变压器，因此易于系统集成，功率密度高，系统成本低；并且，相较于传统的串级调速而言，本实用新型的交流励磁电源采用矩阵变换器，其能量可以双向流动，输入功率因数高，谐波含量小。因此，与现有技术相比，本实用新型具有变频器容量小，成本低廉、输入功率因数高且谐波含量小的优点。
图I为本实用新型一种适用于矿井风机的交流调速系统的拓扑结构图；图2为本实用新型实施例的交流励磁电源的结构原理图；[0009]图3为本实用新型实施例的数字控制系统的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图详细讲解本实用新型专利提供的一种适用于矿井风机的交流调速系统的结构和原理。请参阅图1，一种适用于矿井风机的交流调速系统，包括交流励磁电源I、绕线式异步电机2、数字控制系统3和A/D采样模块4，绕线式异步电机2包括三相定子和三相转子，绕线式异步电机2的三相定子直接与三相电网5相连；交流励磁电源I的输入侧与三相电网5相连，输出侧与绕线式异步电机2的三相转子相连，用以实现绕线式异步电机2的转子侧变频调速；A/D采样模块4用以采集绕线式异步电机2的电流、电压和转速信号，其进一步包括输入电压检测电路、输出电流检测电路。数字控制系统3分别与交流励磁电源I和A/D采样模块4连接，用以根据A/D采样模块4采集的数据进行矢量运算，并发出触发脉冲信号至交流励磁电源I，从而控制交流励磁电源I为绕线式异步电机2的转子侧提供频率可变的电源，实现绕线式异步电机2变频调速。 请再参见图2，交流励磁电源I采用矩阵式变换器，其包括9个双向开关，且每个双向开关由两个IGBT反并联而成。9个双向开关组成3X3阵列，阵列的一侧三相输入端通过三相滤波器与三相电网5相连，另一侧的三相输出端与绕线式异步电机2的三相转子相连。如图3所示，其为本实用新型实施例的数字控制系统的原理框图。数字控制系统3包括由DSP、FPGA组成的控制系统和脉冲触发电路。在本实施例中，为了减小DSP的运算负担，本文设计的控制电路中DSP只负责电机控制算法的实现，并将计算出的各开关的作用时间经地址总线和数据总线发送给FPGA。而FPGA主要完成A/D采样、数字I/O、编码器信号的采集、D/A信号的输出和矩阵变换器四步换流策略及脉冲触发功能。其中，DSP采用TI公司高性能的TMS320F2812芯片，TMS320F2812是TI公司针对电机数字控制开发的数字信号处理器，具有强大的运算能力，其最高运行速度可达150MIPS。本专利采用XILINX公司生产的SPARTAN3系列FPGA芯片XC3S50AN，该芯片具有以下特点逻辑资源丰富，具有5万门逻辑单元，54k片内RAM，最多108个可编程IO 口 ；处理速度快，系统时钟最高可达300MHz ；具有片内FLASH，不需要外部配置芯片，安全性能好；支持JTAG编程方式，开发方便。以下详细说明本实用新型的工作原理首先，控制系统3通过绕线式异步电机2的等效电路推导出一系列磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气隙磁链是连接定子和转子的桥梁。然后，通过同步旋转变换，可以将磁链方程等效为同步旋转坐标系下类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，从而实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。最后经过同步旋转反变换，产生三相交流电再通过交流励磁电源I去控制绕线式异步电机2，就获得了良好的调速性能。系统运行时，通过A/D采样模块4实时采集绕线式异步电机2的电流、电压和转速信号，并发送至数字控制系统3，数字控制系统3根据该些信号对绕线式异步电机2进行实时调速处理。该系统采用的矢量控制原理跟传统的异步电机矢量控制类似，但是不同于传统的异步电机矢量控制，传统的异步电机矢量控制以转子磁链作为定向磁链，而该系统由于通过转子侧实现变频调速，所以其定向磁链是定子磁链。本实用新型的有益效果为相较于传统的基于定子侧的高压变频调速系统而言，本实用新型采用基于转子侧的变频调速系统没有中间直流储能环节和输入变压器，因此易于系统集成，功率密度高，系统成本低；并且，相较于传统的串级调速而言，本实用新型的交流励磁电源采用矩阵变换器，其能量可以双向流动，输入功率因数高，谐波含量小。因此，与现有技术相比，本实用新型具有变频器容量小，成本低廉、输入功率因数高且谐波含量小的优点。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施实例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，任何未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均属于本实用新型技术方案的范围。
权利要求1.一种适用于矿井风机的交流调速系统，其特征在于，包括交流励磁电源、绕线式异步电机、数字控制系统和A/D采样模块，所述绕线式异步电机包括三相定子和三相转子，所述绕线式异步电机的三相定子直接与三相电网相连；所述交流励磁电源输入侧与三相电网相连，输出侧与所述绕线式异步电机的三相转子相连，用以实现所述绕线式异步电机的转子侧变频调速；所述A/D采样模块用以采集所述绕线式异步电机的电流、电压和转速信号；所述数字控制系统分别与交流励磁电源和A/D采样模块连接，用以根据A/D采样模块采集的数据进行矢量运算，并发出触发脉冲信号至交流励磁电源，从而控制交流励磁电源为绕线式异步电机转子侧提供频率可变的电源，实现绕线式异步电机变频调速。
2.如权利要求I所述的适用于矿井风机的交流调速系统，其特征在于所述交流励磁电源采用矩阵式变换器，其包括9个双向开关，且每个双向开关由两个IGBT反并联而成。
专利摘要一种适用于矿井风机的交流调速系统，包括交流励磁电源、绕线式异步电机、数字控制系统和A/D采样模块，绕线式异步电机包括三相定子和三相转子，绕线式异步电机的三相定子直接与三相电网相连；交流励磁电源输入侧与三相电网相连，输出侧与绕线式异步电机的三相转子相连，用以实现绕线式异步电机的转子侧变频调速；数字控制系统分别与交流励磁电源和A/D采样模块连接，用以根据A/D采样模块采集的数据控制绕线式异步电机实现电机转速闭环控制，并发出触发脉冲信号；A/D采样模块用以采集绕线式异步电机的电流、电压和转速信号。本实用新型具有变频器容量小，成本低廉、输入功率因数高且谐波含量小的优点。
文档编号H02J3/18GK202663353SQ201220042119
公开日2013年1月9日 申请日期2012年2月9日 优先权日2012年2月9日
发明者姜建国, 王晶鑫, 罗*, 左东升, 戴鹏, 徐亚军, 吴玮, 王贵峰 申请人:上海交通大学