矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置，主要应用于提升机的2500KW以下3KV以上交流低速同步电机，包括高压电线、变压器、电机绕组、变频单元和励磁单元，所述变频单元包括AFE前端整流、直流母线和逆变单元，变频单元和励磁单元分别设计为两组结构完全相同的并列装置，电机定子为双绕组结构。当两组变频单元同时工作时，每组供给电机的对应绕组，负载均分；当只有一组变频装置工作时，通过切换开关将电机定子绕组串联或并联，实现全载半速或全载全速。本发明取得的技术效果是：结构设计合理，实用性强，通过设计冗余的变频单元和励磁单元，以及电机定子双绕组结构可以提高系统的应急性和工作效率。
【专利说明】矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机双绕组的交直交变频装置，具体涉及一种用于矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置。
技术背景
[0002]目前，应用于2500KW以下的提升机调速系统，直流调速依然占据主导地位，但是直流调速系统具有谐波含量大，功率因数低等缺点，在这些方面交直交变频调速系统明显优于直流调速，但是目前还没有能用于2500KW以下提升机中低速交流同步电机的中压交直交变频调速装置，也没有相应的系统冗余方案，当变频装置出现故障时，必须要停车排除相应故障，才能恢复提升机的正常运行。所以，如何提供一种能应用于2500KW以下具有冗余特性的同步电机中压交直交变频调速装置(包括变频单元冗余和励磁单元冗余)，既能满足提升机的正常工作要求，又能实现变频器故障状态下的运行，进而保证提升机安全可靠高效的工作，一直是本领域技术人员需要解决的重要问题。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明解决的技术方案是:提供一种矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置，主要应用于提升机的2500KW以下3KV以上交流低速同步电机。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括高压电线、变压器、电机绕组、变频单元和励磁单元，所述高压电线分别通过变压器连接到变频单元和励磁单元，为变频单元和励磁单元提供电能；电机绕组包括转子绕组和定子绕组，变频单元与定子绕组相连接，励磁单元与转子绕组相连接，变频单元包括两组并列的AFE前端整流、直流母线和逆变单元，在每一组中，AFE前端整流一端连接变压器另一端连接直流母线，直流母线连接逆变单元，逆变单元连接到定子绕组，励磁单元包括两组并列的励磁装置。
[0005]作为优选方案，所述励磁单元通过切换开关与励磁变压器相连接，励磁变压器与单刀单掷开关的一端相连接，单刀单掷开关另一端连接到高压电线，用于控制对励磁单元的供电，包括一过压保护装置并联于励磁单元和电机转子绕组之间。
[0006]作为优选方案，所述切换开关包括一个单刀双掷开关和一个双刀双掷同步开关，触点表示为a和b，分别连接到励磁单元的两端，实现对励磁单元两组装置的切换。
[0007]作为优选方案，所述电机定子为双绕组结构，可以通过切换开关将其连接为串联或并联结构。
[0008]作为优选方案，所述变压器一端与变频单元连接，变压器另一端通过单刀单掷开关连接到高压电线，用于控制对变频单元的供电，在变频单元内部的AFE前端整流与直流母线相连接，直流母线与逆变单元相连接，逆变单元分别通过两个三刀单掷开关与电机定子绕组相连，在结构上两个支路完全相同。
[0009]作为优选方案，所述中压交直交变频单元采用全数字矢量控制，基于IGBT三电平拓扑结构，功率单元模块化设计。
[0010]作为优选方案，所述变频单元的两组直流母线是不相连的，保证各自工作的独立性。
[0011]本发明针对交流同步电机在2500KW以下3KV以上的矿井提升机电控系统中的应用，变频单元和励磁单元分别设计为两组结构完全相同的并列装置，电机定子为双绕组结构。根据变频单元两组装置的工作状态结合定子绕组的连接方式，提出了三种有效的交直交变频调速方案:其一，当两组变频单元同时工作时，每组供给相应电机绕组，负载均分，实现全载全速；其二，当只有一组工作时，通过切换开关将电机定子双绕组串联，实现全载半速；其三，当只有一组工作时，通过切换开关将电机定子双绕组并联，实现全载全速。本发明取得的技术效果是:结构设计合理，实用性强，能够实现大功率提升和满负载运行，变频单元和励磁单元的冗余结构能够提高生产效率和增加系统的稳定性，避免了因为单个变频单元或励磁单元出现故障，必须要停车检查和排除故障，提高系统的应急性和工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明原理结构示意图
[0013]图2是本发明同步电机双绕组串联中压交直交变频实施例结构示意图
[0014]图3是本发明同步电机双绕组并联中压交直交变频实施例结构示意图
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步详细描述。
[0016]如图1所示为本发明装置结构原理图，包括高压电线1、变压器2、12和7、电机绕组、变频单元11和励磁单元8，所述高压电线I分别连接到变频单元11和励磁单元8，为变频单元11和励磁单元8提供电能，变频单元11包括两组并列的AFE前端整流3、直流母线4和逆变单元5，变频单元11和励磁单元8分别设计为两组结构完全相同的并列装置，电机绕组包括定子绕组6和转子绕组10，其中，电机定子6为双绕组结构，可以通过增加切换开关将其连接为串联、并联和两个绕组独立不连的三种结构。
[0017]变压器2和12 —端与变频单元11连接，变压器2和12另一端通过开关SlO和S20连接到高压电线1，用于控制对变频单元11的供电，在变频单元11内部的AFE前端整流3与直流母线4相连接，直流母线4与逆变单元5相连接，逆变单元5通过开关Sll和S21分别于与电机定子两个绕组6相连，在结构上两个支路完全独立且相同。其中，中压交直交变频单元11采用全数字矢量控制，基于IGBT三电平拓扑结构，功率单元模块化设计，具有谐波含量小，功率因数高等优点。采用AFE有源前端整流保证能量反馈的4Q运行，变频单元11的两组直流母线4是不相连的，保证各自工作的独立性，应用矢量控制策略同步调制各自直流母线4至同一电平，保证电机定子两个绕组6上的电压平衡，使提升机电机的平稳正常运行。
[0018]正常工作时，变压器2和12通过高压电线I给变频单元11的AFE前端整流3供电，经过直流母线4，由逆变单元5输出频率大小相等的电流，分别经过开关Sll、S21连接到同步电机的两个定子绕组6，此时变频单元11的两组装置同时工作，每组供给相应电机绕组6，提升机电机运行在全载全速状态，负载均分。[0019]励磁单元8与变压器7相连接，变压器7与开关S30的一端相连接，开关S30的另一端连接到高压电线1，用于控制对励磁单元8的供电，在励磁单元8两端分别连接一个单刀双掷开关S4和一个双刀双掷开关S5，触点表示为a和b，实现对励磁单元8的两组装置切换，励磁单元8通过开关S5与同步电机转子绕组10相连，提供转子10的励磁电流。在励磁单元8的输出端并联过压保护装置9，可以防止整流输出电压过大而损坏转子绕组10。
[0020]正常工作时，变压器7通过高压电线I给励磁单元8供电，励磁单元8经整流电路输出励磁电流给同步电机的转子绕组10，电机正常运行。当励磁单元8左边的励磁装置故障时，通过闭合开关S4和S5到触点b，使右边的励磁装置接入电路提供同步电机运行所需要的励磁电流，可以对左边的励磁装置进行故障维修，避免单个励磁装置故障时必须要停机；同样，当励磁单元8右边的励磁装置故障时，通过闭合开关S4和S5到触点a，使左边的励磁装置接入电路提供同步电机运行所需要的励磁电流。
[0021]如图2所示，为同步电机双绕组串联中压交直交变频实施例结构示意图，图中电机定子双绕组6的连接相对于图1增加了两个三刀双掷开关S12和S22，触点表示为a和b，其它部分没有改变。当变频单元11的两组装置正常工作时，电机定子绕组的连接如图1，每组装置供给相应电机绕组6，提升机电机运行在全载全速状态，负载均分。当变频单元11的一组变频装置故障时，通过切换开关S11、S12、S21和S22将电机定子绕组串联，由另一组变频装置单独供电，实现电机的全载半速运行。
[0022]具体是当变频单元11左边的变频装置故障时，可以切换开关Sll断开、S21闭合、S12和S22分别闭合到a触点和b触点，此时定子双绕组6串联，由右边变频装置单独供电工作，电机运行在全载半速状态，可以避免单个变频装置时必须要设备停机，提高系统的应急性和工作效率，而且通过断开左边主回路进线开关SlO和闭合其输出接地开关，使装置完全脱电，对其进行故障维修。同样，当变频单元11右边的变频装置故障时，可以切换开关Sll闭合、S21断开、S12和S22分别闭合到b触点和a触点，此时定子双绕组6串联，由左边变频装置单独供电工作，电机运行在全载半速状态。
[0023]如图3所示，为同步电机双绕组并联中压交直交变频实施例结构示意图，图中电机定子双绕组6的连接相对于图1增加了一组单刀单掷开关S3，其它部分没有改变。当变频单元11的两组装置正常工作时，电机定子绕组的连接如图1，每组装置供给相应电机绕组6，提升机电机运行在全载全速状态，负载均分。当变频单元11的一组变频装置故障时，通过切换开关S3、Sll和S21将电机定子绕组并联，由另一组变频装置单独供电，实现电机的全载全速运行。
[0024]具体是当变频单元11左边的变频装置故障时，可以切换开关S21和S3闭合，Sll断开，此时定子双绕组6并联，由右边变频装置单独供电工作，电机运行在全载全速状态，可以避免单个变频装置时必须要设备停机，提高系统的应急性和工作效率，而且通过断开左边主回路进线开关SlO和闭合其输出接地开关，使装置完全脱电，对其进行故障维修。同样，当变频单元11右边的变频装置故障时，可以切换开关Sll和S3闭合，S21断开，此时定子双绕组6并联，由左边变频装置单独供电工作，电机运行在全载全速状态。
[0025]图2和图3所示，图中右侧的励磁单元回路完全同图1，工作模式也同图1，不再冗述。
[0026]以上是对本发明所提供的技术方案的【具体实施方式】进行的详细介绍。[0027]应当注意，上述实施例是为了说明而不是限制本发明，那些本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的条件下设计许多可选实施例。词语“包含”不排除那些与权利要求中列出的元件或步骤不同的元件或步骤的存在。元件前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在，在列举几种电路权利要求中，这些装置中的几个可以由一个来表现，硬件项也是同样，仅仅因为某些方法是在不同的从属权利要求中描述的，并不说明这些方法的组合不能用来获利。
[0028]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，而且，术语“包含”、“包括”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括那些明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素，术语“相连”、“连接”、“连接到”或者其他变体，不仅仅包括将两个实体直接相连接，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连接。
【权利要求】
1.矿井提升机双绕组同步电机的冗余中压交直交变频装置，包括高压电线、变压器、电机绕组、变频单元和励磁单元，所述高压电线分别通过变压器连接到变频单元和励磁单元，为变频单元和励磁单元提供电能；电机绕组包括转子绕组和定子绕组，变频单元与定子绕组相连接，励磁单元与转子绕组相连接，其特征在于:变频单元包括两组并列的AFE前端整流、直流母线和逆变单元，在每一组中，AFE前端整流一端连接变压器另一端连接直流母线，直流母线连接逆变单元，逆变单元连接到定子绕组，励磁单元包括两组并列的励磁装置。
2.根据权利要求1所述的交直交变频装置，其特征在于:所述励磁单元通过切换开关与励磁变压器相连接，励磁变压器与单刀单掷开关的一端相连接，单刀单掷开关另一端连接到高压电线，用于控制对励磁单元的供电，包括一过压保护装置并联于励磁单元和电机转子绕组之间。
3.根据权利要求2所述的交直交变频装置，其特征在于:所述切换开关包括一个单刀双掷开关和一个双刀双掷同步开关，触点表示为a和b，分别连接到励磁单元的两端，实现对励磁单元两组装置的切换。
4.根据权利要求1所述的交直交变频装置，其特征在于:所述电机定子为双绕组结构，可以通过切换开关将其连接为串联或并联结构。
5.根据权利要求1所述的交直交变频装置，其特征在于:所述变压器一端与变频单元连接，变压器另一端通过单刀单掷开关连接到高压电线，用于控制对变频单元的供电，在变频单元内部的AFE前端整流与直流母线相连接,直流母线与逆变单元相连接,逆变单元分别通过两个三刀单掷开关与电机定子绕组相连，在结构上两个支路完全相同。
6.根据权利要求5所述的交直交变频装置，其特征在于:所述中压交直交变频单元采用全数字矢量控制，基于IGBT三电平拓扑结构，功率单元模块化设计。
7.根据权利要求1所述的交直交变频装置，其特征在于:所述变频单元的两组直流母线是不相连的，保证各自工作的独立性。
【文档编号】H02P25/16GK103580584SQ201310439046
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】吴旭, 李权任, 苏新村, 刘蒙, 张朝君, 何荣 申请人:上海华菱电站成套设备有限公司