一种矿井提升机低频直驱中高压变频器的制作方法

本实用新型属于高压变频器控制技术，提出一种矿井提升机低频直驱中高压变频器。
背景技术：
：矿井提升机通常由高速异步电动机或高速直流电动机驱动，为了匹配矿井提升机的额定提升速度，通常配置有减速器；或者，在不增设减速器的条件下，由低速交流电动机或低速直流电动机进行直接驱动。现在主要存在以下缺点：1）减速器的存在，包括给减速器提供润滑设备，增加了设备整体体积和重量，从而增加包括设备及其基建在内的投资费用，塔式多绳摩擦式提升机安装在井塔上，基建投资增加部分将更加突出；2）减速器的存在，由于多了一级传动，降低了传动效率，能耗相对提高；3）随着矿井提升机装机容量的增大，由于制造工艺等限制，大功率的减速器制造困难或者合格率无法保证；4）原国土资源部的国土资发[2014]176号文件将“矿井提升直流电机”列为限制类技术。限制原因：矿井提升电机直流调速系统结构复杂，维修费用高，电机结构较交流电机复杂，能耗高；使用范围：仅允许在小型矿山使用，并逐步淘汰；5）当前低速直驱矿井提升机主要由中低压同步机驱动，采用交-交变频技术和三电平中低压变频技术，最高电压等级为3.3kV，与我国工业现场供电电压等级通常为6kV或10kV的国情不符，造成许多困扰；交-交变频因其功率因数太低、谐波分量太大，需要外置动态谐波补偿装置，交-交变频技术基本上被市场淘汰。技术实现要素：为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提出一种矿井提升机低频直驱中高压变频器。本实用新型采取以下技术方案完成其实用新型目的：一种矿井提升机低频直驱中高压变频器，低频直驱中高压变频器具有用以为其提供电压的整流变压器；所述的整流变压器具有一套原边绕组和3*j套副边绕组，j=1、2.....；3*j套副边绕组为同相绕组；每套副边绕组串接有一台四象限低频功率单元；所述的四象限低频功率单元的数量与副边绕组相对应，至少为3*1个，并形成A、B、C三相；所述四象限低频功率单元具有安装在同一散热器元件面的二电平IGBT三相整流桥和二电平IGBT-H型逆变桥；所述的二电平IGBT三相整流桥连接在整流变压器副边绕组的三相输出端；所述二电平IGBT三相整流桥与所对应的整流变压器副边绕组的三相输出端之间设置有对四象限低频功率单元所产生的谐波分量进行有效滤波的RCL滤波单元；所述的二电平IGBT三相整流桥与二电平IGBT-H型逆变桥之间并接有储能电容和均压电阻，对四象限低频功率单元进行储能和平波；所述的二电平IGBT三相整流桥和二电平IGBT-H型逆变桥分别通过所对应的IGBT驱动器与功率单元控制器相连通；所述的二电平每相上下桥臂的两个IGBT之间形成互锁，不得同时导通；所述功率单元控制器与高压变频器主控系统相连通；所述的四象限低频功率单元的输出端为两个：U输出端、V输出端；A相第一个四象限低频功率单元的U输出端与B相第一个低频功率单元的U输出端以及C相第一个低频功率单元的U输出端连接为一起形成所述中高压变频器的中性点Q；A相中第一个低频功率单元的V输出端与A相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；A相最后一个低频功率单元的V输出端构成A相输出；B相中第一个低频功率单元的V输出端与B相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；B相最后一个低频功率单元的V输出端构成B相输出；C相中第一个低频功率单元的V输出端与C相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；C相最后一个低频功率单元的V输出端构成C相输出。低频直驱中高压变频器为一套，所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出与低速同步电动机定子绕组相连接。所述的低频直驱中高压变频器为两套，两套所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出均与所对应的低速同步电动机定子绕组相连接，且两套所述的低频直驱中高压变频器均与提升机操控系统相连接，并实现主从控制。对应所述的低速同步电动机设置有用于控制他励低速同步机励磁电流的励磁控制器，所述的励磁控制器连接在低速同步电动机与整流变压器相应三相副边绕组的输出端相连接，或对应所述的励磁控制器设置有用以为其供电的励磁整流变压器。所述低速同步电动机通过高分辨率光电编码器与高压变频器主控系统相连接，高分辨率光电编码器与矿井提升机的主轴同心安装，用于测量低速交流电动机转子的位置和转速。所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器，根据每相串联四象限低频功率单元的数量不同，可组成不同电压等级的中压或高压变频器，驱动1.14kV及以上电压等级的低速交流电动机，包括他励低速同步机、永磁低速同步机或低速异步机，所述的低速交流电动机为悬臂式并与提升机卷筒同轴安装，额定转速通常为每分钟数十转及以下，额定频率通常小于17.0Hz，最低运行频率可能为0.1Hz甚至更低，要求与之配套使用的所述中高压变频器应具有较大的调速范围，如170（17.0Hz/0.1Hz），在所述频率范围（0.1~17.0Hz)内，所述的中高压变频器具有两倍及以上过载能力，静动态性能满足矿井提升机的要求。所述的高压变频器主控系统和低频功率单元控制器主要由DSP、CPLD、FPGA和逻辑及接口电路组成；主控系统通过转子磁场定向矢量控制技术将来自提升机操控系统的指令转化成频率和力矩的控制信号，并通过光纤控制低频功率单元，低频功率单元控制器将这些控制信号翻译成多相两组IGBT的触发信号并保证互锁，确保同一相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通；从而输出相应的频率和力矩信号满足矿井提升机平滑调速的需要，同时将低频功率单元的一些信息和状态返回高压变频器主控系统，所述的主控系统将这些信息和状态进行逻辑处理后，作为所述的中高压变频器运行的信息和状态，返回提升机操控系统。提升机操控系统主要由PLC及其接口电路组成，根据所述的中高压变频器信息和状态及其他条件作出逻辑判定，从而更有效地控制矿井提升机的安全运行。高分辨率光电编码器与矿井提升机的主轴同心安装，用于测量低速交流电动机转子的位置和转速，作为所述的高压变频器主控系统中转子磁场定向闭环矢量控制的重要信号之一，转子位置的定位准确性直接决定了中高压变频器输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响中高压变频器的调速范围，精度越高，调速范围越大；所述的编码器为绝对值或增量两种型式，每套所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器配套一台编码器，一一对应。所述的励磁控制器的输入端与整流变压器相应的三相副边绕组或者专设的励磁整流变压器输出端相连，用于控制他励低速同步电动的励磁电流，根据实际使用情况，可恒定励磁或可变励磁；作为选项，在驱动永磁低速同步机和低速异步机的情况下，不需要励磁控制器。可由两套所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器按主从结构，分别驱动同一矿井提升机的两台低速交流电机，所述的主机和从机分别与提升机操控系统中PLC组成网络通讯系统，所述的PLC可任意定义主机和从机并按实用需要进行变换，包括实现任一单机应急运行，所述的主机具有完整的速度、电流和电压闭环并实时将速度环输出的数据传送给PLC，所述的从机与主机共用一个速度环并实时从PLC获得速度环输出的数据作为从机的力矩电流给定信号。所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器可用于驱动其他需要四象限可逆运行的机械设备，如低速交流电机拖动的下行带式输送机、高炉卷扬机、升船机、重型轧机、凿井提升机，等等。所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器，重要的特征在于输出额定频率与低速交流电机相匹配，通常工作频率范围为0.1Hz~17.0Hz。要求全程满转矩并具有不低于两倍的过载倍数，满足矿井提升机平滑的调速需要，具有良好的静动态性能，且谐波分量小、功率因数高，符合相关标准的要求。为了满足上述性能，所述的转子磁场定向闭环矢量控制技术还包括采取如下措施。措施之一，建立合适的低速交流电动机数学模型，将所述矿井提升机低频直驱中高压变频器的驱动对象通过方程式表明输入量与输出量的数学关系，包括定转子的电压方程式、定转子的磁链方程式、转矩方程式、电动机及其拖动的提升机的运动方程式。措施之二，对低速交流电动机技术参数进行有效自动测量并自适应。技术参数包括：定子绕组的阻抗、感抗和漏抗，转子绕组的阻抗、感抗和漏抗，定转子绕组间的感抗，励磁绕组的阻抗，等。措施之三，在低频或超低频（0.1Hz及以下）运行状态下，对上述方程式以及某些技术参数进行有效合理的补偿。措施之四，所述矿井提升机低频直驱中高压变频器以四象限低频功率单元及其工程设计法为核心；采用双SPWM（正弦波脉宽调制）方式对整流桥和逆变桥进行调制，并较传统高压变频器具有更高调制开关频率，所述调制开关频率为四象限低频功率单元谐振频率的两倍及以上。本实用新型提出的一种矿井提升机低频直驱中高压变频器，基于低频功率单元及其工程设计法，低频功率单元在另一文件已经申报；稳定输出频率范围通常为0.1Hz~17.0Hz，结合所述中高压变频器的合理选型，在此频率范围内具有两倍及以上的过载能力，静动态性能满足矿井提升机的要求，用于驱动低速直联的交流提升机，包括他励低速同步电机、永磁低速同步机或低速异步机等，取消了减速器，满足矿井提升机平滑调速的需要，并且，谐波小功率因数高、效率高；相较于现有公知技术，本实用新型使得矿井提升机不需要减速器，既减少了设备总体体积和成本包括运维成本，又节省了包括设备及其基建投资在内的费用，社会和经济效益显著。附图说明图1矿井提升机低频直驱中高压变频器的原理示意图；图2双机拖动的矿井提升机低频直驱中高压变频器的原理示意图；图3四象限低频功率单元的原理示意图；图4为与图3对应的符号简图。图中：1、整流变压器，1-1、原边绕组，1-2、副边绕组，2、四象限低频功率单元，2-1、快熔，2-2、RCL滤波单元，2-3、二电平IGBT三相整流桥，2-4、二电平IGBT-H型逆变桥，2-5、均压电阻，2-6、滤波电容，2-7、IGBT驱动器，2-8、功率单元控制器，2-9、供电电源，3、高压变频器主控系统,4、高分辨率光电编码器，5、励磁控制器，6、提升机操控系统。具体实施方式结合附图和具体实施例对本实用新型实施例加以说明：实施例1：如图1所示，一种矿井提升机低频直驱中高压变频器，低频直驱中高压变频器具有用以为其提供电压的整流变压器1；所述的整流变压器1具有一套原边绕组1-1和3*j套副边绕组1-2，j=1、2.....；3*j套副边绕组1-2为同相绕组；每套副边绕组串接有一台四象限低频功率单元2；四象限低频功率单元2的稳定输出频率范围为0.1Hz~17.0Hz；所述的四象限低频功率单元2的数量与副边绕组相对应，至少为3*1个，并形成A、B、C三相；结合图3、图4，所述四象限低频功率单元2具有安装在同一散热器元件面的二电平IGBT三相整流桥2-3和二电平IGBT-H型逆变桥2-4；二电平IGBT三相整流桥2-3和二电平IGBT-H型逆变桥2-4的每相为两个IGBT，上下桥臂各有一个；所述的二电平IGBT三相整流桥2-3通过RCL滤波单元2-2连接在整流变压器副边绕组1-2的三相输出端；RCL滤波单元2-2对各所述的四象限低频功率单元2所产生的谐波分量进行有效的滤波；所述的二电平IGBT三相整流桥2-3与二电平IGBT-H型逆变桥2-4之间并接有储能电容2-6和均压电阻2-5，对四象限低频功率单元2进行储能和平波；所述的二电平IGBT三相整流桥2-3和二电平IGBT-H型逆变桥2-4分别通过所对应的IGBT驱动器2-7与功率单元控制器2-8相连通；所述的二电平每相上下桥臂的两个IGBT之间形成互锁，不得同时导通；所述功率单元控制器2-8与高压变频器主控系统3相连通；所述的四象限低频功率单元的输出端为两个：U输出端、V输出端；A相中第一个低频功率单元的V输出端与A相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；A相最后一个低频功率单元的V输出端构成A相输出；即，A相的A1.V-A2.U、A2.V.....-Aj.U串接，构成所述中高压变频器的A相，A相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的A相相连；B相中第一个低频功率单元的V输出端与B相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；B相最后一个低频功率单元的V输出端构成B相输出；即，B相的B1.V-B2.U、B2.V.....-Bj.U串接，构成所述中高压变频器的B相，B相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的B相相连；C相中第一个低频功率单元的V输出端与C相其它低频功率单元的U输出端通过母排依序串接；C相最后一个低频功率单元的V输出端构成C相输出；即，C相的C1.V-C2.U、C2.V.....-Bj.U串接，构成所述中高压变频器的C相，C相最后一个低频功率单元的V输出端通过动力电缆与低速交流机定子绕组的C相相连。该实施例中，低频直驱中高压变频器为一套，所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出均与同一台低速同步电动机定子绕组相连接；假设：供电电网的额定电压为10kV，低速同步机额定功率为1000kW、电压为6kV，励磁整流变压器另设，整流变压器的过载倍数取1.3倍，要求所述矿井提升机低频直驱中高压变频器的过载倍数大于2.0倍，功率因数按1.0计；选定：所述的整流变压器原边输入电压、额定功率、副边绕组的数量分别为：10kV、1560kVA（>2.0*1000/1.3=1538kW）和15台（见表1）。实施例二：如图2所示，并结合图3和图4，该实施例的主体结构同实施例1，该实施例中，所述的低频直驱中高压变频器为两套，两套所述低频直驱中高压变频器的A、B、C三相输出均与所对应的低速同步电动机定子绕组相连接，且两套所述的低频直驱中高压变频器均与提升机操控系统6相连接；两套所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器按主从结构，分别驱动同一矿井提升机的两台低速交流电机，所述的主机和从机分别与提升机操控系统6中PLC组成网络通讯系统，所述的PLC可任意定义主机和从机并按实用需要进行变换，包括实现任一单机应急运行，所述的主机具有完整的速度、电流和电压闭环并实时将速度环输出的数据传送给PLC，所述的从机与主机共用一个速度环并实时从PLC获得速度环输出的数据作为从机的力矩电流给定信号。对应所述的低速同步电动机设置有用于控制他励低速同步机励磁电流的励磁控制器5，所述的励磁控制器5与整流变压器相应三相副边绕组的输出端相连接，或对应所述的励磁控制器设置有用以为其供电的励磁整流变压器；如果所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器驱动的低速交流电机是永磁低速同步机或低速异步机，励磁控制器5可以省略。所述低速同步电动机通过高分辨率光电编码器4与高压变频器主控系统3相连接，高分辨率光电编码器4与矿井提升机的主轴同心安装，用于测量低速交流电动机转子的位置和转速。在上述实施例中，三相副边绕组的额定输出（R、S、T）线电压通常为AC600V，通过SPWM（正弦波脉宽调制），所述的四象限低频功率单元中母排（+E、0V）间的电压基本稳定于850（600*√2）V，所述的四象限低频功率单元额定输出（U、V）相电压通常标定为AC700V（实际输出可大于AC700V）；所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器的每相串接的四象限低频功率单元可以是一个或数个，因此，根据每相串接低频功率单元数量的不同，可组成不同电压等级的所述的矿井提升机低频直驱中压或高压变频器，驱动不同电压等级的中压或高压低速交流电机，如表1所示，包括他励低速同步机、永磁低速同步机或低速异步机；所述的低速交流电机为悬臂式并与提升机卷筒同轴安装，额定转速通常为每分钟数十转及以下，额定频率通常小于17.0Hz，最低运行频率可能为0.1Hz甚至更低，要求与之配套使用的所述中高压变频器应具有较大的调速范围，如170（17.0Hz/0.1Hz），结合所述中高压变频器的选型，确保在所述频率范围（0.1~17.0Hz)内，所述的中高压变频器具有两倍及以上过载能力，静动态性能满足矿井提升机的要求。表1所述矿井提升机低频直驱中高压变频器的各种电压等级序号每相功率单元的串接数量（台/级）变频器输出额定电压（3相，V）可驱动低速电动机额定电压（3相，kV）说明1112121.14中压2224242.3中压3336373.5/3.3中压4448494.0/4.16中压5560625.5/6.0高压6672756.3/6.6/6.9高压78969910.0高压891091211.0高压9111333713.0高压本实用新型所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器，具有双向能量传输功能；重物提升状态下，能量传输方向从从网侧指向低速交流电机侧，低速交流电机从所述的中高压变频器吸收电能并将电能转化成机械能，驱动矿井提升机；重物下放或负力减速状态下，提升容器通过钢丝绳及卷筒拖动低速交流电动机发电，能量从低速交流电机侧指向网侧，通过各四象限低频功率单元将能量回馈电网，达到通过电气制动进行平滑调速的目的，且节省电能。所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器可用于驱动其他需要四象限可逆运行的机械设备，如低速交流电机拖动的下行带式输送机、高炉卷扬机、升船机、重型轧机、凿井提升机，等等。所述的高压变频器主控系统3和所述的低频功率单元2的控制器主要由DSP、CPLD、FPGA和逻辑及接口电路组成；主控系统3通过转子磁场定向矢量控制方法将来自提升机操控系统6的指令转化成频率和力矩的控制信号，并通过光纤控制低频功率单元2，所述的低频功率单元控制器2-8将这些控制信号翻译成多相两组IGBT的触发信号并保证互锁，确保同一相中上下桥臂的两个IGBT不得同时导通；从而输出相应的频率和力矩信号满足矿井提升机平滑调速的需要，同时将低频功率单元2的一些信息和状态返回主控系统3，主控系统3将这些信息和状态进行逻辑处理后，作为所述的中高压变频器运行的信息和状态，返回提升机操控系统6。提升机操控系统6主要由PLC及其接口电路组成，根据所述的中高压变频器的信息和状态及其他条件作出逻辑判定，从而更有效地控制矿井提升机的安全运行。所述的高分辨率光电编码器4与低速交流电机的主轴同心安装，用于测量低速交流电机转子的位置和转速，作为高压变频器主控系统3中转子磁场定向矢量控制的重要信号之一，转子位置的定位准确性直接决定了所述中高压变频器输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响高压变频器的调速范围，精度越高，调速范围越大；所述的编码器4为绝对值或增量两种型式，每套所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器配套一台编码器，一一对应。所述的励磁控制器5的输入端与整流变压器1相应的三相副边绕组输出端相连，或者另设励磁整流变压器为励磁控制器供电，用于控制他励低速同步机的励磁电流，根据实际使用情况，可恒定励磁或可变励磁；作为选项，当驱动永磁低速同步机或低速异步机的情况下，不需要励磁控制器5。所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器，重要的特征在于输出频率范围为0.1Hz~17.0Hz，基于低频功率单元及其工程设计法并结合所述中高压变频器的合理选型，确保全程满转矩并具有两倍及以上的过载倍数，满足矿井提升机恒力矩负载的平滑调速需要，具有良好的静动态性能，且谐波分量小功率因数高，符合相关标准的要求。为此，所述的转子磁场定向闭环矢量控制方法还包括采取如下措施。措施之一，建立合适的低速交流电机数学模型，将所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器的驱动对象通过方程式表明输入量与输出量的数学关系，包括定转子的电压方程式、定转子的磁链方程式、转矩方程式、电动机及其拖动的提升机的机电运动方程式。措施之二，所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器能够对低速交流电机技术参数进行有效自动测量并自适应。技术参数包括：定子绕组的阻抗、感抗和漏抗，转子绕组的阻抗、感抗和漏抗，定转子绕组间的感抗，励磁绕组的阻抗，等。措施之三，在低频或超低频（0.1Hz及以下）运行状态下，所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器能够对对上述方程式以及某些技术参数进行有效合理的补偿。措施之四，所述的矿井提升机低频直驱中高压变频器主要由四象限低频功率单元组成，并按照所述的工程设计法进行有效设计；整流部分和逆变部分的调制方式均采用SPWM（正弦波脉宽调制），并且较传统高压变频器具有更高的调制开关频率，所述调制开关频率为四象限低频功率单元谐振频率的两倍及以上。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。当前第1页1 2 3