矿用机车直流转交流逆变器及转矩控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿用机车直流转交流逆变器及转矩控制系统，涉及通过磁场方向控制来控制电机的装置或系统【技术领域】。逆变器的直流电源的正负极之间并联有三条支路，第一条为串联后的电阻R1和电阻R2，第二条为串联后的启动变阻器RS和IGBT管T7，第三条为IGBT变换模块；还包括过压保护模块、过流检测模块、电流检测模块、直流电压监测模块、泵升电压检测模块、微处理器模块、三相监测电路、低通滤波以及IGBT过热监测模块。所述系统启动时间较短，起动转矩较大，起动电流较小，逆变器制造成本较低。
【专利说明】矿用机车直流转交流逆变器及转矩控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过磁场方向控制来控制电机的装置或系统【技术领域】，尤其涉及一种矿用机车直流转交流逆变器及转矩控制系统。
【背景技术】
[0002]起动性能几乎是衡量所有变频调速系统最重要的指标之一，尤其在交流传动机车等大惯性负载系统中，一般都希望机械方面起动过程中有大的起动转矩，同时电气方面起动电流尽量小，而且恒转矩起动，恒功率运行。14吨和18吨矿用直交传动系统电机起动时往往输出转矩不足却经常出现较大的冲击电流，严重时甚至可能造成逆变器中开关器件的损坏。但是，在试验过程中发现，对于37.5kW、IOOkW的采用直接转矩控制策略的矿用机车两电平变频调速系统中，在电机低频起动时常常出现较大的冲击电流。在37.5kW变频器-电机系统中，这种过大的电流冲击最高可能达到165A，而空载稳态时的电流峰值仅为32A，系统满负荷时的峰值电流也只有120A。过大的电流冲击容易损坏电机绝缘，危害变频器开关器件；其次，尽管起动电流很大，但输出机械转矩并不大。
[0003]为了避免过大的冲击电流，逆变器制造中还常常需要将器件电流裕度提高，但是电流裕度大大提高，往往大大增加制造成本。ABB公司的ACS800系列变频器在电机起动之前，有效建立磁场，从而使得起动时刻的电流峰值与稳态差不多，起动转矩达到额定转矩的200 %，但具体励磁方式不详。为了抑制起动过电流，多数采用的是高电流裕量的电力电子器件，这在小容量装置中尚可，应用到中大容量变频调速系统时就受到现有器件电流等级的限制。为了抑制起动过电流，可以采用软启动方式，但是起动转矩小，启动时间长。多数采用的是高电流裕量的电力电子器件，大大增加了制造成本。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种矿用机车直流转交流逆变器及转矩控制系统，所述系统启动时间较短，起动转矩较大，起动电流较小，逆变器制造成本较低。
[0005]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:一种矿用机车直流转交流逆变器，其特征在于:直流电源的正负极之间并联有三条支路，第一条为串联后的电阻Rl和电阻R2，第二条为串联后的启动变阻器RS和IGBT管T7，第三条为IGBT变换模块；过压保护模块位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输出端连接，用于检测直流电源输入端的电压，当电压超过阈值时，作出保护；过流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输入端连接，用于检测直流电源的电流，当电流超过阈值时，作出保护；电流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于检测输入电流；直流电压监测模块，位于所述第二条支路和第三条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于实时监测电源线两端的电压；泵升电压检测模块的输出端经驱动电路与IGBT管T7的栅极连接；微处理器模块的PWM输出端依次经隔离电路和驱动电路与IGBT变换模块连接；经IGBT变换模块变换后的电源分为两路，第一路输出给负载，第二路经三相监测电路和低通滤波后输入给微处理器模块；IGBT过热监测模块的输出端经故障信号处理模块处理后输入给微处理器模块。
[0006]进一步优选的技术方案在于:所述微处理器模块使用TES320LF2407A应用板。
[0007]进一步优选的技术方案在于:所述电阻Rl和电阻R2的两端并联有滤波电容，IGBT管的漏极和源极之间设有续流二极管。
[0008]本发明还公开了一种矿用机车转矩控制系统，其特征在于包括:速度控制器，用于根据实际测量的速度和给定速度进行比较，对实际速度进行控制；磁通参考控制器任务是通过定子电压空间向量将定子磁通的幅值控制在允许的范围内，使磁通的轨迹接近圆形，根据接收的磁通优化量进行计算，输出一个磁通范围给转矩控制模块进行计算；转矩参考控制器，用于实现对转矩的直接控制，或通过正反调节器，在调节转矩的同时，通过DMC算法给出正确的磁链开关信号，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节；逆变器，用于根据来自最优脉冲选择器输出的开关位置命令，以控制逆变器输出电机的需要的电压，满足转矩的需要。
[0009]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述系统通过易于测量的定子电压、电流和转速等，借助瞬时空间矢量理论直接计算出电机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器，实际就是转矩控制器，直接对定子磁链和转矩控制。具有启动时间较短，起动转矩较大，起动电流较小，逆变器制造成本较低的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0011]图1是本发明中逆变器的原理框图；
[0012]图2是本发明中转矩控制系统的原理框图；
[0013]图3是转矩调节器的原理框图；
[0014]图4是空间电压矢量输出等效电路原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0017]实施例一
[0018]如图1所示，一种矿用机车直流转交流逆变器，直流电源的正负极之间并联有三条支路，第一条为串联后的电阻Rl和电阻R2，第二条为串联后的启动变阻器RS和IGBT管T7，第三条为IGBT变换模块；过压保护模块位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输出端连接，用于检测直流电源输入端的电压，当电压超过阈值时，作出保护；过流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输入端连接，用于检测直流电源的电流，当电流超过阈值时，作出保护；电流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于检测输入电流；直流电压监测模块，位于所述第二条支路和第三条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于实时监测电源线两端的电压；泵升电压检测模块的输出端经驱动电路与IGBT管T7的栅极连接；微处理器模块的PWM输出端依次经隔离电路和驱动电路与IGBT变换模块连接；经IGBT变换模块变换后的电源分为两路，第一路输出给负载，第二路经三相监测电路和低通滤波后输入给微处理器模块；IGBT过热监测模块的输出端经故障信号处理模块处理后输入给微处理器模块。
[0019]进一步优选的技术方案在于:所述微处理器模块使用TES320LF2407A应用板，但是微处理器模块并不局限于上述模块，本领域普通的技术人员可以根据需要对其进行选型。本领域技术人员还能够得出，所述电阻Rl和电阻R2的两端并联有滤波电容，用于滤波，IGBT管的漏极和源极之间设有续流二极管，防止IGBT管反向击穿。
[0020]实施例二
[0021]如图2所示，本发明还公开了一种矿用机车转矩控制系统，其特征在于包括:速度控制器，用于根据实际测量的速度和给定速度进行比较，对实际速度进行控制；磁通参考控制器任务是通过定子电压空间向量将定子磁通的幅值控制在允许的范围内，使磁通的轨迹接近圆形，根据接收的磁通优化量进行计算，输出一个磁通范围给转矩控制模块进行计算；转矩参考控制器，用于实现对转矩的直接控制，或通过正反调节器，在调节转矩的同时，通过DMC算法给出正确的磁链开关信号，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节；逆变器，用于根据来自最优脉冲选择器输出的开关位置命令，以控制逆变器输出电机的需要的电压，满足转矩的需要。
[0022]所述系统的原理是:通过易于测量的定子电压、电流和转速等，借助瞬时空间矢量理论直接计算出电机的磁链和转矩，利用两个滞环比较器，实际就是转矩控制器，直接对定子磁链和转矩控制。为了控制转矩，转矩调节必须具备两个功能:一个功能是转矩调节器直接调节转矩，另外一个功能是用PN调节器(正反转调节器)，在调节转矩的同时，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节。
[0023]转矩调节器ATR的框图工作原理如图3所示，并说明如下:
[0024]I)实际转矩值 Tf 当 Tf < Tg 时，且(Tf-Tg) < - ε τ，但(Tf-Tg) > - ε ΡΝ 时，TQ =1，PN= I。这时实际转矩Tf比给定转矩!；小，所以可以让开关信号选择输出信号，让Vs(t)沿六边形的边运动，增大Θ⑴角，以增大转矩；iTf>Tg，且(Tf-Tg) > +、但(Tf-Tg) >+ ε PN时，TQ = 0，PN = I。这时，由于实际转矩Tf比给定转矩Tg大，可让ASS选择AZS的零矢量，使Vs(t)暂停，减小Θ (t)角，以使转矩减小。于是，Tf与Tg之差被控制在± ετ范围内，同时，Vs(t)走走停停。逆变器开关模式也就不断地切换，从而形成PWM电压波形。
[0025]实际转矩值为Tf，控制给定值是Tg
[0026]2)当转矩给定值突然变化较大时，会出现以下情况:当Tf〈Tg，且(Tf-Tg)< -ε PN,(因而肯定<_ετ)时，TQ= 1，PN= I。这时，仍选择DMC的信号，使￥s(t)沿着六边形的边运动，以增加Tf ;当Tf>Tg。
[0027]以机子磁链屺和^为状态变量的感应电机的状态方程:
【权利要求】
1.一种矿用机车直流转交流逆变器，其特征在于:直流电源的正负极之间并联有三条支路，第一条为串联后的电阻Rl和电阻R2，第二条为串联后的启动变阻器RS和IGBT管T7，第三条为IGBT变换模块；过压保护模块位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输出端连接，用于检测直流电源输入端的电压，当电压超过阈值时，作出保护；过流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与故障信号处理单元的输入端连接，用于检测直流电源的电流，当电流超过阈值时，作出保护；电流检测模块，位于所述的第一条支路和第二条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于检测输入电流；直流电压监测模块，位于所述第二条支路和第三条支路之间，输出端与微处理器模块的输入端连接，用于实时监测电源线两端的电压；泵升电压检测模块的输出端经驱动电路与IGBT管T7的栅极连接；微处理器模块的PWM输出端依次经隔离电路和驱动电路与IGBT变换模块连接；经IGBT变换模块变换后的电源分为两路，第一路输出给负载，第二路经三相监测电路和低通滤波后输入给微处理器模块；IGBT过热监测模块的输出端经故障信号处理模块处理后输入给微处理器模块。
2.根据权利要求1所述的直交供电的矿用机车电传动控制装置，其特征在于:所述微处理器模块使用TES320LF2407A应用板。
3.根据权利要求1或2所述的直交供电的矿用机车电传动控制装置，其特征在于:所述电阻Rl和电阻R2的两端并联有滤波电容，IGBT管的漏极和源极之间设有续流二极管。
4.一种矿用机车转矩控制系统，其特征在于包括:速度控制器，用于根据实际测量的速度和给定速度进行比较，对实际速度进行控制；磁通参考控制器任务是通过定子电压空间向量将定子磁通的幅值控制在允许的范围内，使磁通的轨迹接近圆形，根据接收的磁通优化量进行计算，输出一个磁通范围给转矩控制模块进行计算；转矩参考控制器，用于实现对转矩的直接控制，或通过正反调节器，在调节转矩的同时，通过DMC算法给出正确的磁链开关信号，控制定子磁链的旋转方向，以加强转矩的调节；逆变器，用于根据来自最优脉冲选择器输出的开关位置命令，以控制逆变器输出电机的需要的电压，满足转矩的需要。
【文档编号】H02P21/14GK104022712SQ201410276081
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】高锋阳, 陶彩霞, 路颜 申请人:兰州交通大学