无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统的制作方法

本实用新型属于电磁铁的配套装置，具体涉及无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统。

背景技术：

目前起重电磁铁普遍采用的控制方法为可控硅正反桥控制方式，通过改变可控硅触发角来调节输出电压，即相位角控制方式，如图1所述；该电路由整流变压器和两组可控硅全控桥即正向桥A和反向桥B组成；整流变压器将三相380V交流电源变压为235V左右的电压，再经两组三相可控硅全控桥A或B整流调压后为电磁铁提供可调的励磁直流电压和退磁直流电压。当使正向桥A工作反向桥B关断时，电路为电磁铁提供220V左右的正向励磁电压；当使反向桥B工作正向桥A关断时，为电磁铁提供70V～220V的可调反向退磁电压，即正向桥A和反向桥B处在交替工作的状态。三相全控桥整流输出电压的调节是靠调节可控硅的相位角来实现的，即所谓的“相位角控制”方式，这是目前起重电磁铁控制领域普遍采用的控制方法。

图1给出的电路虽然实现了对起重电磁铁的无触点控制，但仍有不足，主要体现在：(1)主回路需要安装与起重电磁铁容量相匹配的整流变压器才能很好的工作；(2)需要对主回路的12个可控硅元件连续发相序及相位严格的触发脉冲，由于主回路元件较多所以控制电路比较繁琐；(3)当电磁铁设备运行过程中由于电源滑线突然停电或控制设备发生故障导致电磁铁在运行过程中失电时，需要停电保磁电源迅速投入，否则会由于电磁铁的失磁造成重物坠落的事故，由于图1所示的主回路采用可控硅正向桥A和反向桥B交替换向工作方式，它与停电保磁电源回路没有公共的地端，所以它们之间的连锁控制比较繁琐。

针对现有技术中存在的不足之处，有必要提供一种具有创造性的新颖性的控制系统。

技术实现要素：

本实用新型提供一种具有创造性的无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统，以此来解决现有技术中存在的不足之处，从而解决了关断大电感L电流时的过压等现象。

本实用新型提供是通过以下技术方案来实现，无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统，包括主回路：主回路包括二极管模块、绝缘栅双极型晶体管模块1、绝缘栅双极型晶体管模块2、电容C1、电磁铁和分流器r；所述二极管模块包括两个二极管元件，分别为二极管D1和二极管D2，二极管D1和二极管D2并联连接；所述绝缘栅双极型晶体管模块1包括2个IGBT元件，分别为IGBT11和IGBT12，IGBT11和IGBT12串联连接；所述IGBT11反并联有二极管D11，所述IGBT12反并联有二极管D12，所述绝缘栅双极型晶体管模块2包括2个IGBT元件，分别为IGBT21和IGBT22；IGBT21和IGBT22串联连接，IGBT21反并联有二极管D21，IGBT22反并联有二极管D22，

所述绝缘栅双极型晶体管模块1的一侧并联有电容C1，

所述绝缘栅双极型晶体管模块1和绝缘栅双极型晶体管模块2并联设置；所述电磁铁设置为电感L和电阻R串联；所述电磁铁的另一端串联有分流器r，所述电磁铁的一端，即P端设置在IGBT11的发射极和IGBT12的集电极的公共端处，所述分流器r的另一端，即N端设置在IGBT21的发射极和IGBT22的集电极的公共端处；

所述二极管模块和电容C1直接将三相380V交流电压中的A相和B相整流成脉动直流电压U_d，脉动直流电压U_d经过绝缘栅双极型晶体管模块1和绝缘栅双极型晶体管模块2进行换向并且通过PWM脉宽调制技术对电磁铁调压控制，三相380V交流电源中的C相直接连接二极管整流回路直流侧IGBT回路的负端。

作为一种优选的技术方案，所述二极管模块的型号设置为MDK250A1200V。

作为一种优选的技术方案，所述绝缘栅双极型晶体管模块1和绝缘栅双极型晶体管模块2的型号均设置为MG200Q2YS1。

作为一种优选的技术方案，所述电容C1由两个电容串联构成。

无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统的控制方法：

当控制IGBT11、IGBT22元件导通，IGBT21、IGBT12关断时，直流电压U_d加到电磁铁两端，得到U_PN＞0的正向励磁电压，此时流过电磁铁的电流称为正向励磁电流；关断IGBT11、IGBT22，开通IGBT21、IGBT12时，电磁铁得到U_PN＜0的反向退磁电压，此时流过电磁铁的电流称为反向退磁电流；

考虑到IGBT11、IGBT22关断时或者IGBT21、IGBT12关断时，电磁铁两端产生电磁过电压，当需要关断正向励磁电流时，先关断工作元件IGBT11，然后利用仍处于开通工作状态的IGBT22元件对电感L电流进行续流，使电磁铁的电感L电流储能通过电磁铁的自身等效电阻按指数形式快速释放；当电磁铁的电感L电流下降到安全关断值时再去关断IGBT22，这时电磁铁的电感L剩余储能向电容C1转移，当IGBT22可靠关断后，开通IGBT21、IGBT12，使电磁铁得到反向退磁电压，退磁结束时的关断过程为：先关断IGBT21，然后利用仍处于开通状态的IGBT12元件对电感L电流进行续流。

作为一种优选的技术方案，所述安全关断值是指小于实际情况下电磁铁工作电流的5％。

本实用新型将三相380V交流电接入电路，经过二极管模块整流后得到脉动的直流电压，利用电磁铁大电感L、小电阻的特点，得到脉动较小的电感L电流.

本实用新型的电容C1由两个电容串联构成，提高耐压性能例如，将两个耐压450V、容值为2000μF的电容串联，则得到一个耐压900V、容值为1000μF的等效电容，提高电路的耐压能力。

本实用新型使用PWM脉宽调制技术控制IGBT11的栅极，可以对励磁电压的有效值和励磁电流I₊的大小进行调节；同理，利用PWM脉宽调制技术控制IGBT21的栅极，则可以对退磁电压的有效值和退磁电流I_-的大小进行调节。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型设置有二极管模块，二个二极管元件并联，且外加设置有电容C1直接将三相380V交流电源进行两相整流成脉动直流电压，省去整流变压器，利用电磁铁大电感、小电阻的特点，得到脉动较小的电感电流，体积小，节约了空间的占用率、质量轻、便于移动、成本低，节约购买资金。

(2)本实用新型在关断电磁铁电感电流时无需外加续流元件即可消除电磁铁两端所产生的电磁过压现象。

(3)本实用新型采用PWM技术，对用于励磁工作的IGBT11元件和用于退磁工作的IGBT21元件进行PWM脉宽调制，得到可调的工作电压和工作电流，由此取代了常规控制设备中的降压整流变压器，体积小，节约了空间的占用率、质量轻、便于移动。

(4)本实用新型电路负端可与停电保磁回路的直流侧负端共联，因此连锁控制简单方便。

附图说明

图1为现有技术中可控硅正反桥控制方式的电路图；

图2为本实用新型主回路电路图；

图3为具体实施例中的U_AC与U_BC之间的相位差图；

图4为具体实施例中以U_C为基准且忽略电容C1的储能作用的脉动直流电压U_d的波形；

图5为具体实施例中以U_C为基准且不忽略电容C1的储能作用的脉动直流电压U_d的波形；

图6为具体实施例中导通IGBT11和IGBT22、关断IGBT21和IGBT12的励磁电流的波形示意图；

图7为具体实施例中电磁铁由正向励磁到反向退磁换向过程中先关断IGBT11的电流走向图；

图8为具体实施例中电磁铁由正向励磁到反向退磁换向过程中先关断IGBT11后再关断IGBT22的电流走向图；

图9为具体实施例中IGBT22可靠关断后，同时开通IGBT21和IGBT12的电流走向图；

图10为具体实施例中先关断IGBT21的电流走向图；

图11为具体实施例中先关断IGBT21后，再关断IGBT12的电流走向图；

图12为具体实施例中加入PWM后，脉动直流电压U_d的波形；

图13为具体实施例中励磁电压U_PN的波形示意图；

图14为具体实施例中带有起重电磁铁掉电保磁模块的电路图。

附图序号说明：1二极管模块、2绝缘栅双极型晶体管模块1、3电磁铁、4分流器、5绝缘栅双极型晶体管模块2、6起重电磁铁掉电保磁模块、7交流转直流单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细的描述，以便进一步了解本实用新型，但并非作为本实用新型所附权利要求保护范围的限制。

具体实施例1：无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁控制系统，主回路包括二极管模块1、绝缘栅双极型晶体管模块1 2、绝缘栅双极型晶体管模块2 5、电容C1、电磁铁3和分流器r4；所述二极管模块1包括两个二极管元件，分别为二极管D1和二极管D2，二极管D1和二极管D2并联连接；所述绝缘栅双极型晶体管模块1 2包括2个IGBT元件，分别为IGBT11和IGBT12，IGBT11和IGBT12串联连接；所述IGBT11反并联有二极管D11，所述IGBT12反并联有二极管D12，所述绝缘栅双极型晶体管模块2 5包括2个IGBT元件，分别为IGBT21和IGBT22；IGBT21和IGBT22串联连接，IGBT21反并联有二极管D21，IGBT22反并联有二极管D22，

所述绝缘栅双极型晶体管模块1 2的一端并联有电容C1，

所述绝缘栅双极型晶体管模块1 2和绝缘栅双极型晶体管模块2 5并联设置；所述电磁铁3设置为电感L和电阻R串联；所述电磁铁3的另一端串联有分流器r 4，所述电磁铁3的一端，即P端设置在IGBT11的发射极和IGBT12的集电极的公共端处，所述分流器r 4的另一端，即N端设置在IGBT21的发射极和IGBT22的集电极的公共端处；

所述二极管模块1和电容C1直接将三相380V交流电压中的A相和B相整流成脉动直流电压U_d，脉动直流电压U_d经过绝缘栅双极型晶体管模块1 2和绝缘栅双极型晶体管模块2 5进行换向并且通过PWM脉宽调制技术对电磁铁调压控制，三相380V交流电源中的C相直接连接二极管整流回路直流侧IGBT回路的负端。

作为一种优选的技术方案，所述二极管模块1的型号设置为MDK250A1200V。

作为一种优选的技术方案，所述绝缘栅双极型晶体管模块1 2和绝缘栅双极型晶体管模块2 5的型号均设置为MG200Q2YS1。

作为一种优选的技术方案，所述电容C1由两个电容串联构成。

无整流变压器的IGBT无触点起重电磁铁3控制系统的控制方法：

当控制IGBT11、IGBT22元件导通，IGBT21、IGBT12关断时，直流电压U_d加到电磁铁3两端，得到U_PN＞0的正向励磁电压，此时流过电磁铁的电流称为正向励磁电流；关断IGBT11、IGBT22，开通IGBT21、IGBT12时，电磁铁3得到U_PN＜0的反向退磁电压，此时流过电磁铁3的电流称为反向退磁电流；

考虑到IGBT11、IGBT22关断时或者IGBT21、IGBT12关断时，电磁铁3两端产生电磁过电压，当需要关断正向励磁电流时，先关断工作元件IGBT11，然后利用仍处于开通工作状态的IGBT22元件对电感L电流进行续流，使电磁铁3的电感L电流储能通过电磁铁3的自身等效电阻按指数形式快速释放；当电磁铁3的电感L电流下降到安全关断值时再去关断IGBT22，这时电磁铁3的电感剩余储能向电容C1转移，当IGBT22可靠关断后，开通IGBT21、IGBT12，使电磁铁3得到反向退磁电压，退磁结束时的关断过程为：先关断IGBT21，然后利用仍处于开通状态的IGBT12元件对电感L电流进行续流。

作为一种优选的技术方案，所述安全关断值是指小于实际情况下电磁铁工作电流的5％。

具体实施例2：

结合图2所示，将380V三相交流电U_A、U_B和U_C接入电路中，经二极管D1、D2和电容C1整流后得到周期为20ms的脉动直流电压U_d，在主回路中将U_C作为基准电压，所以U_AC和U_BC为相位差60°，有效值为380V的交流电，如图3所示；若忽略电容C1的储能作用，经二极管D1和D2整流后的脉动直流电压的有效值如公式(1)所示，波形图如图4所示；

若考虑电容C1的储能作用，当有励磁电流或退磁电流流过电磁铁时，脉动直流电压U_d的波形如图5所示；因此，在电容C1的续流作用下，脉动直流电压U_d的有效值大于256.6V；在图5中，mn段曲线可用直线近似，其斜率与电容C1的容值和流过电磁铁的电流大小有关，若假设电容C1的容值为1000μF，流过电磁铁的工作电流为100A，则线段mn的斜率为100A/1000μF＝-100000V/s。

当控制IGBT11和IGBT22导通、IGBT21和IGBT12阻断时，电磁铁得到正向励磁电压U_PN且(U_PN＞0)，

将此时流过电磁铁的电流称为励磁电流，用I₊表示，其流向如图6所示；

利用拉普拉斯变换，建立U_PN与I₊之间的s域方程，如公式(2)所示：

其中，R为电磁铁中的电阻值，L为电磁铁中的电感值；

利用拉氏变换的卷积定理，得励磁电流为，如公式(3)所示：

I₊(t)＝U_PN(t)*h(t) (3)

其中，h(t)为H(s)＝1/(R+sL)的拉普拉斯逆变换，如公式(4)所示：

其中，R为电磁铁的电阻，L为电磁铁中的电感，其中，u(t)为单位阶跃信号，如公式(5)所示：

若将L和R的比值定义为时间常数τ，即：

L/R＝τ

则h(t)也可表示为公式(6)：

若以额定电流为100A的起重电磁铁为例，可将其等效为电感L＝1H和电阻R＝2Ω的串联，则有：得到公式(7)

h(t)＝exp(-t/0.5)u(t) (7)

即，时间常数为τ＝0.5s＝500ms；由于时间常数τ远大于20ms，因此励磁电流为脉动很小的直流，这就是图5中mn段曲线可以用直线近似的原因。

在对电磁铁进行由正向励磁到反向退磁的换向控制过程中，先关断IGBT11，此时电磁铁的电感L电流会通过IGBT22与IGBT12内部的反并联二极管续流，如图(7)所示，经过Δt＝3τ＝1.5s的续流后，电感L的电流将降至工作时的exp(-3)≈5％，再去关断IGBT22，这时电磁铁的剩余能量将沿图(8)所示的路径对电容C1充电，直至将所有的电感L能量转移至电容C1中为止，假设电容C1的容值为1000μF，并假设经过如图(7)所示的续流过程之后，流经电感L的电流降至5A，根据公式(8)和(9)：

且当电磁铁的电感L剩余能量全部转移至电容C1时，电容C1两端的电压将为560V，具体计算过程如公式(10)所示：

若不经过如图(7)所示的续流过程，当假设电磁铁的工作电流为100A时，根据公式(11)，电容C1两端最高将产生超过3千伏的高压，从而击穿IGBT元件和电容C1，造成短路；

在实际使用时不必等到电感L电流降至零，只要IGBT22可靠关断后(IGBT的可靠关断时间通常小于1ms)，即可同时开通IGBT21和IGBT12，得到反向退磁电压和反向退磁电流I_-，如图(9)所示，经过3s～5s的退磁后，先关断IGBT21，此时电磁铁的电感L电流会通过IGBT12与IGBT22内部的反并联二极管续流，如图(10)所示，同样经过Δt＝3τ＝1.5s的续流后，电感L电流将降至退磁工作时的exp(-3)≈5％，然后再去关断IGBT12，这样当电磁铁的剩余电感L储能向电容C1转移时，如图(11)，系统就不会承受过高的电压。

上述工作过程中，IGBT12和IGBT22既是工作元件，又在关断回路电流时起续流作用，因此称上述工作方法为“分时关断自续流”控制方法。

本实用新型使用PWM脉宽调制技术控制IGBT11的栅极，可以对励磁电压的有效值和励磁电流I₊的大小进行调节。同理，利用PWM脉宽调制技术控制IGBT21的栅极，则可以对退磁电压的有效值和退磁电流I_-的大小进行调节。

当PWM信号加在IGBT11的栅极上时，脉动直流电压U_d的波形将由图5变为图12：当U_d处于上升阶段时，波形与图(5)一致；当U_d处于下降阶段时，波形呈阶梯状，当PWM信号为低电平时，U_d保持不变，需要说明的是：当PWM信号为高电平时，电磁铁电感L电流的流向如图(6)所示，励磁电压U_PN的大小即为U_d；而当PWM信号为低电平时，电磁铁电感L电流的流向如图(7)所示，励磁电压U_PN的大小为0如图(13)所示，通过改变PWM信号的占空比，可以对励磁电压U_PN的有效值进行调节，从而改变励磁电流I₊的大小；同理，利用完全相同的工作方式可以对退磁电压和退磁电流进行调节。

图(12)为加入PWM后，脉动直流电压U_d的波形，图中的m’n’段曲线可用直线近似，其斜率与电容C1的容值和流过电磁铁的电流大小有关；若假设电容C1的容值为1000μF，流过电磁铁的工作电流为60A，则线段m’n’的斜率为60A/1000μF＝-60000V/s，可以看到图(12)中线段m’n’斜率的绝对值小于图(5)中线段mn斜率的绝对值。

在实际的应用过程中，可在本电路的负端与起重电磁铁掉电保磁模块6相连接，连锁控制方便，可以达到掉电保磁的功能，起重电磁铁掉电保磁模块6包括两个保磁直流接触器J、蓄电池组、交流转直流单元7和二极管D3，如图(14)所示，一个保磁直流接触器J的一端连接有二极管D3，两个保磁直流接触器J之间设置有蓄电池组，交流转直流单元与蓄电池组并联设置，交流转直流单元的另一端与三相380V电压相连接。

本实用新型将三相380V交流电接入电路，经过二极管模块和电容C1整流后得到脉动的直流电压，利用电磁铁大电感L、小电阻R的特点，得到脉动较小的电感L电流。

本实用新型的电容C1由两个电容串联构成提高耐压性能，例如，将两个耐压450V、容值为2000μF的电容串联，则得到一个耐压900V、容值为1000μF的等效电容，提高电路的耐压能力。

以上描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点；本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。