专利名称：具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及交流电动机调速控制技术，特别涉及一种具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置。
背景技术：
在交流电动机调速控制系统中，现有大功率(＞200KW)中压(3～10KV)交流异步电动机调速系统主要分为定子侧变频调速和转子侧串级调速两大类。定子侧变频调速在电动机定子侧接中压变频器，通过改变定子电压和频率来调节转速。中压变频器容量大，为电动机额定功率PN的1.2左右，变换电压高，需要许多电力电子器件串联，装置庞大、复杂、价高，可靠性受影响。转子侧串级调速在传统的串级调速系统中，电机转子侧接不可控整流器及晶闸管逆变器，通过改变逆变器触发移相角来改变转子电压，实现调速。转子电压低(一般＜1000V)，加之风机和泵类负载要求调速范围小(一般40～50％)，调速装置低压(＜500V)变换电能，且容量小(0.4～0.5PN)，避免了中压调速的困难。它的主要缺点是，逆变器的移相控制导致运行功率因数低，谐波大。
近年来开发出斩波式串级调速系统，电机转子侧也接不可控整流器及晶闸管逆变器，但在整流器和逆变器间加入一级升压斩波器，工作時晶闸管逆变器的触发移相超前角β固定在最小值(30°左右)不变，直流逆变电压固定，通过改变斩波器的占空比来改变转子电压，实现调速。和传统串级调速相比，斩波式串级调速以较小功率的低压控制设备调节全功率中压电机转速，功率因数提高，谐波减小。如果电机负载为风机和泵类之二次型负载，逆变器容量还可近一步减至(0.2～0.3PN)但是，通过使用发现，现有的斩波式串级调速装置仍然存在两个问题●在电网故障，供电电压突然大幅度降低或消失時，晶闸管逆变器将逆变颠覆，损坏设备；●在转速闭环控制中，升压斩波器的控制由速度外环和电流内环两部分构成，由于升压斩波器控制特性的非线性，使得电流内环的响应在不同转速下不同，电流调节器参数调整很困难。
这使现有的斩波式串级调速装置因为仍然存在的问题大大影响了斩波式串级调速技术的广泛应用。
实用新型内容本实用新型的目的是克服串级调速上述的缺陷，提供一种保护设备不受损坏并在全部转速范围内都有好的电流响应、调整方便的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置。
为达到上述目的，本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，包括接在主电路中依次相连的由接触器组成的控制电路、不可控整流器、升压斩波器和晶闸管逆变器，还包括接在升压斩波器和晶闸管逆变器之间的逆变颠覆保护器，逆变颠覆保护器由绝缘门基晶体管、续流二极管和用于控制绝缘门基晶体管的过流比较器组成，晶闸管逆变器输出电流的采样信号接至过流比较器的“-”输入端，过流设定值接至过流比较器的“+”输入端，过流比较器的输出信号接至绝缘门基晶体管的控制端，绝缘门基晶体管控制晶闸管逆变器并同時将逆变颠覆信号接至控制电路的接触器，；绝缘门基晶体管控制晶闸管逆变器并同時将逆变颠覆信号接至控制电路的接触器，；其中，升压斩波器设置电流峯值两点式控制器，该控制器包括差分放大器、D/A变换器、减计数器、比较器和输出触发器，主电路的直流逆变电压和整流电压经差分放大器输出的电压差信号和時钟信号在减计数器中的计数分别接至D/A变换器，D/A变换器的输出与电流给定信号相加后的控制信号接至比较器的“-”输入端，整流电流信号接至比较器的“+”输入端，比较器输出的复位输入信号接至输出触发器的“R”输入端，减计数器产生的进位信号接至输出比较器的“S”输入端，输出触发器输出端“Q”的触发信号接至升压斩波器的控制端。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中D/A变换器为所述减计数器(MC)的计数值与电压差信号(UD-UDR)的乘法器。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中D/A变换器与所述比较器(CP1)之间接有由电位器构成的分压器，其分压系数为T/2LDR。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中异步电动机为中压普通绕线式异步电动机。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中异步电动机为中压内反馈绕线式异步电动机。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中异步电动机为中压绕笼式无刷双馈电动机。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中电流峯值两点式控制器替换由微处理器构成。
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中异步电动机的功率大于200KW，中压为3～10KV。
本实用新型提供的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其有益的技术效果是在保留现有斩波式串级调速装置全部优点的同时，利用绝缘门基晶体管的关断能力，在晶闸管逆变器逆变颠覆時切断其直流主电路，实现了逆变颠覆保护，解决了现有装置存在的晶闸管逆变器在电网故障時损坏设备的问题。同时，由于在斩波器内环电流控制上采用电流峯值比较实现两点式控制，代替电流调节器和占空比D发生器，不受升压斩波非线性影响，误差小，无需调整动态参数，使用简单方便。在轻载电流IDR断续時，控制器仍能工作。
下面将结合实施例参照附图对本实用新型进行详细说明。
图1是本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置的电路图一(用于中压普通绕线式异步电动机)；图2是本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置电路图二(用于中压内反馈绕线式异步电动机)；图3是本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置电路图三(用于中压绕笼式无刷双馈电动机)；图4是本实用新型串级调速装置中电流峯值两点式控制器的电路图；图5是本实用新型串级调速装置中电流峯值两点式控制的第k开关周期的波形图。
具体实施方式
本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，参照图1，包括接在主电路中依次相连的由接触器K1和K2组成的控制电路、不可控整流器DR、升压斩波器BC、逆变颠覆保护器IFP和晶闸管逆变器TI。逆变颠覆保护器IFP由绝缘门基晶体管V2、续流二极管D2和用于控制所述绝缘门基晶体管V2的过流比较器CP2组成，晶闸管逆变器TI输出电流的采样信号接至过流比较器CP2的“-”输入端，过流设定值I**接至过流比较器CP2的“+”输入端，过流比较器CP2的输出信号接至绝缘门基晶体管V2的控制端，绝缘门基晶体管V2控制晶闸管逆变器TI并同時将逆变颠覆信号接至所述控制电路的接触器。
其中，升压斩波器BC设置电流峯值两点式控制器，参照图4，该控制器包括差分放大器DA、D/A变换器、减计数器MC、比较器CP1和输出触发器FF，主电路的直流逆变电压UD和整流电压UDR经经差分放大器DA输出的电压差信号UD-UDR和時钟信号在减计数器MC中的计数1-τ/T分别接至D/A变换器，D/A变换器的输出ΔUc与电流给定信号I*相加后的控制信号Uc接至比较器CP1的“-”输入端，整流电流信号IDR接至比较器CP1的“+”输入端，比较器CP1输出的复位输入信号rst接至触发器FF的“R”输入端，减计数器MC产生的进位信号st接至比较器CP1的“S”输入端，输出触发器FF输出端“Q”的触发信号接至升压斩波器BC的控制端。
下面对本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置的实施例做详细说明。
实施例1参照图1，在本实施例中，电机M为中压普通绕线式异步电动机。
调速装置中的不可控整流器DR通过电机的电刷和滑环接转子绕组(正常工作時K1断升，K2闭合)，装置中的晶闸管逆变器TI通过变压器TF接电网。调速装置中的BC为升压斩波器，IFP为逆变颠覆保护器，FR为起动频敏变阻器，K1和K2为三相接触器。
串级调速装置接在电机转子侧，转子电压UR＝sUR0式中s＝(n0-n)/n0----滑差；UR0为电机不转、s＝1時的转子电压。
现有中压电机UR0＜1000V，当调速范围限制到50％(s≤0.5)時，UR.max≤500V，所以调速装置是低压的。
串级调速装置主电路在一套不可控整流器DR、升压斩波器BC、逆变颠覆保护器IFP及晶闸管逆变器TI组成的电路中，当系统正常工作時绝缘门基晶体管V2一直导通，不影响逆变器TI工作。当电网故障，Uaw降低过多或消失時，发生逆变颠覆，晶闸管逆变器TI输出电流Iaw大于过流设定值，绝缘门基晶体管V2关断，晶闸管逆变器TI停止工作，原来在逆变回路电感中的电流经二极管D2续流，逐渐降至零，避免感生高电压损坏绝缘门基晶体管。逆变颠覆信号同時送至接触器K1和K2的控制电路，令K1闭合，短路整流器DR输入端，电机自动转入恒速工作。
正常工作時，本实用新型调速装置和现有的斩波式串级调速装置一样，晶闸管逆变器TI的触发移相超前角β固定在最小值(30°左右)不变，直流逆变电压固定(UD≈常数)，通过改变升压斩波器BC的占空比D来改变经不可控整流器DR整流后的转子电压UDRUDR＝(1-D)UD实现调速。晶闸管逆变器TI和变压器TF容量PTI和PTF按最大转子输出功率PRmax=3(URIR)max]]>选取，对于风机和泵类二次型负载，IR∝n2，转速n高時，IR大，UR小，PR不大；转速n低時，IR小，UR大，PR也不大；最大PR出现在n＝(2/3)n0(s＝1/3)時，PR.max＝0.15PN，考虑到负载不是严格二次型关系，留一定裕置，取PTI＝PTF＝(0.2～0.3)PN，用(0.2～0.3)PN功率的低压逆变器和变压器控制100％PN功率的中压电机调速。由于晶闸管逆变器功率小，且β角固定在30°，逆变器产生的无功小，调速系统总功率因数比传统串级调速系统提高许多，给电网带来的谐波也小。
在实现转速闭环控制中，升压斩波器的控制由速度外环和电流IDR内环两部分构成。由于在不同转速(不同UDR)下，升压斩波器的占空比D与直流逆变电压UD间的关系是非线性，通常，采用电流调节器来实现电流内环控制，造成不同转速峙的电流响应不同，调节器参数调整困难。若采用电流滞环砰-砰控制器实现电流内环控制，可以克服非线性影响，但斩波器开关频率将随转速变化而变化，且在轻载电流断续时砰-砰控制器不能正常工作。在本实用新型的实施例中，则采用一种新的电流峯值两点式控制器实现电流IDR内环控制，它既可克服升压斩波的非线性影响，无需调整动态参数，又使开关频率固定，电流断续时也能工作。
参照图4和图5，在电流峯值两点式控制第k开关周期的波形图中，每个开关周期开始时刻，R-S触发器FF的触发输入端S收到一个脉冲信号，R-S触发器FF输出端O输出高电平，斩波管V1导通，整流电流IDR增大，它和控制电压Uc在比较器CP1中进行比较，Uc=I*+ΔUc]]>ΔUc=T2LDR(UD-UDR)(1-τT)]]>式中UDR和UD分别为整流电压和直流逆变电压LDR是整流滤波电感值(含电机漏感)I*是电流给定值T是开关周期τ是在第k开关周期中的时间，当t＝kT时，τ＝0当t＝(k+1)T时，τ=T。当IDR增至IDR＝Uc时，比较器CP1输出高电平，送至R-S触发器FF的复位输入端R，R-S触发器FF复位，斩波管V1关断，直至该开关周期结束。按此法控制，在一个开关周期中电流IDR的平均值等于电流给定值I*。
参照图4，电压差信号UD-UDR来自差分放大器DA。时钟信号clock送至减计数器MC，则在计数器中的数为1-τ/T。当MC中的数减至零后，其进位端发出一个进位信号，用它作为R-S触发器FF的触发输入信号st，MC同时返回至满位，准备开始下一个开关周期的计数。减计数器MC中的数和电压差模拟信号UD-UDR在D/A变换器中相乘，D/A输出经电位器分压，若分压系数为T/2LDR，则电位器输出为信号ΔUc。ΔUc和电流给定信号I*相加得控制信号Uc，将Uc送至比较器CP1与电流信号IDR比较，比较器CP1输出复位输入信号rst至R-S触发器FF。
实施例2参照图2，在本实施例中，电机M为中压内反馈绕线式异步电动机。它的调速装置与图1相同，不可控整流器DR通过电机的电刷和滑环接转子绕组，但晶闸管逆变器TI接电机定子中的辅助绕组，无变压器TF。
实施例3参照图3，在本实施例中，电机M为中压绕笼式无刷双馈电动机。这种电机的转子绕组不引出，无电刷和滑环，两套定子绕组，一套接电网，另一套的功能相当于绕线电机转子绕组，接调速装置的不可控整流器DR。调速装置与图1相同，晶闸管逆变器TI通过变压器TF接电网。
实施例4在本实施例中，电流峯值两点式控制器由具有相应处理程序的微处理器构成。
本实用新型提供的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置的优点是A.保留了现有斩波式串级调速装置的全部优点●用低压调速装置控制中压电机转速。
●逆变器TI和变压器TF容量小，对于风机和泵类之二次型负载，它们仅为电动机功率的20％～30％。
●由于晶闸逆变器功率小，且β角固定在30°，逆变器产生的无功小，调速系统总功率因数比传统串级调速系统提高许多，给电网带来的谐波也小。
B.增设了逆变颠覆保护器，解决现有装置存在的晶闸管逆变器在电网故障時逆变颠覆，损坏设备问题。
C.斩波器内环电流控制采用新的电流峯值两点式控制器，其特点是●用电流峯值比较实现两点式控制，代替电流调节器和占空比D发生器，不受升压斩波非线性影响，无需调整动态参数，使用简单方便。
●在一个开关周期中电流IDR的平均值等于电流给定值I*。
●在轻载电流IDR断续時，控制器仍能工作。
权利要求1.具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，包括接在主电路中依次相连的由接触器(K1)和(K2)组成的控制电路、不可控整流器(DR)、升压斩波器(BC)和晶闸管逆变器(TI)，其特征在于还包括接在所述升压斩波器(BC)和所述晶闸管逆变器(TI)之间的逆变颠覆保护器(IFP)，所述逆变颠覆保护器(IFP)由绝缘门基晶体管(V2)、续流二极管(D2)和用于控制所述绝缘门基晶体管(V2)的过流比较器(CP2)组成，所述晶闸管逆变器(TI)输出电流的采样信号接至所述过流比较器(CP2)的“—”输入端，过流设定值(I**)接至所述过流比较器(CP2)的“+”输入端，所述过流比较器(CP2)的输出信号接至所述绝缘门基晶体管(V2)的控制端，所述绝缘门基晶体管(V2)控制晶闸管逆变器(TI)并同時将逆变颠覆信号接至所述控制电路的接触器(K1和K2)；其中，所述升压斩波器(BC)设置电流峯值两点式控制器，该控制器包括差分放大器(DA)、D/A变换器、减计数器(MC)、比较器(CP1)和输出触发器(FF)，主电路的直流逆变电压(UD)和整流电压(UDR)经所述差分放大器(DA)输出的电压差信号(UD-UDR)和時钟信号在所述减计数器(MC)中的计数(1-τ/T)分别接至所述D/A变换器，所述D/A变换器的输出(ΔUc)与电流给定信号(I*)相加后的控制信号(Uc)接至所述比较器(CP1)的“—”输入端，整流电流信号(IDR)接至所述比较器(CP1)的“+”输入端，所述比较器(CP1)输出的复位输入信号(rst)接至所述输出触发器(FF)的“R”输入端，所述减计数器(MC)产生的进位信号(st)接至所述输出触发器(FF)的“S”输入端，所述输出触发器(FF)输出端“Q”的触发信号接至所述升压斩波器(BC)的控制端。
2.根据权利要求1所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述D/A变换器为所述减计数器(MC)的计数值与电压差信号(UD-UDR)的乘法器。
3.根据权利要求1或2所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述D/A变换器与所述比较器(CP1)之间接有由电位器构成的分压器，其分压系数为T/2LDR。
4.根据权利要求3所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述异步电动机为中压普通绕线式异步电动机。
5.根据权利要求3所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述异步电动机为中压内反馈绕线式异步电动机。
6.根据权利要求3所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述异步电动机为中压绕笼式无刷双馈电动机。
7.根据权利要求4、5、6所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述异步电动机的功率大于200KW，中压为3～10KV。
8.根据权利要求7所述的具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，其中所述电流峯值两点式控制器替换由微处理器构成。
专利摘要本实用新型具有逆变颠覆保护的中压异步电动机斩波式串级调速装置，包括主电路中的控制电路、不可控整流器、升压斩波器和晶闸管逆变器，并设置接在升压斩波器和晶闸管逆变器之间的逆变颠覆保护器和由差分放大器、D/A变换器、减计数器、比较器和输出触发器组成的升压斩波器电流峯值两点式控制器。本装置适用于普通绕线异步电动机、内反馈绕线异步电动机和绕笼式无刷双馈电动机，保留了现有斩波式串级调速装置全部优点，利用绝缘门基晶体管在逆变颠覆時切断其直流主电路，实现了逆变颠覆保护，解决了电网故障损坏设备的问题。电流峰值两点式控制不受非线性影响，误差小，无需调整动态参数，使用简单方便，轻载电流断续时仍能工作。
文档编号H02P27/04GK2765390SQ200520000930
公开日2006年3月15日 申请日期2005年1月17日 优先权日2005年1月17日
发明者马小亮 申请人:北京华拿东方能源科技有限公司