專利名稱：帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于礦井提升機(jī)高壓變頻技術(shù)，主要提出一種帶電壓自適應(yīng)的礦井提 升機(jī)高壓變頻功率單元。
背景技術(shù)：
目前，公知的能量回饋高壓變頻器功率單元沒有電壓自適應(yīng)功能，主要存在以下 缺點(diǎn)1)礦井提升機(jī)在下放重物或減速的過程中，電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)，高壓變頻器的功率單 元容易損壞，影響高壓變頻器整機(jī)的可靠性；2)為了防止功率單元的損壞，通常的做法是 在功率單元的進(jìn)線側(cè)增加一組電抗器，增加了設(shè)備體積和成本，而且效果也不理想；3)輸 出電壓隨輸入的網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)而波動(dòng)，調(diào)速性能差，輸出力矩不穩(wěn)定。隨著高壓變頻器的技 術(shù)逐漸成熟，高壓變頻器在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，由于礦井提升機(jī)是整個(gè)礦山 的咽喉設(shè)備，提升設(shè)備的安全可靠性直接影響到整個(gè)礦山的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率，特別是 副井提升涉及到上下人員，在提升的過程中，如果高壓變頻器損壞，將會(huì)把正在乘罐的人員 懸在井筒中，這些人員的生命安全將受到威脅。因此，要不斷地提高提升機(jī)高壓變頻器特別 是其關(guān)鍵部件——功率單元的性能和安全可靠性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元，基 于這種帶電壓自適應(yīng)的功率單元組成的礦井提升機(jī)高壓變頻器，在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用更 加安全可靠、調(diào)速性能優(yōu)越，并可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的主要包括并且順序連接的為回饋 及同步部分的主回路提供動(dòng)力電源，并對電網(wǎng)側(cè)的電源電壓進(jìn)行直接檢測的電源濾波及檢 測部分；將網(wǎng)側(cè)的50HZ交流電源整流成直流回路的直流電或?qū)⒅绷骰芈返闹绷麟娬{(diào)制成 并疊加到網(wǎng)側(cè)的50HZ交流電的回饋及同步部分；對直流回路進(jìn)行濾波并將部分能量儲(chǔ)存 的直流儲(chǔ)能部分；在電動(dòng)狀態(tài)將直流回路的直流電調(diào)制成0-50HZ的交流電，在回饋狀態(tài)將 0-50HZ的交流電調(diào)制成直流電并疊加到直流回路中的逆變輸出部分，其特征是在所述電 源濾波及檢測部分設(shè)置有由L1、C5、L2組成的LCL濾波器，該LCL濾波器位于變頻功率單元 的網(wǎng)側(cè)與進(jìn)線側(cè)之間其中，L2的電感量為Ll的兩倍，電容C5為三相無極性電容器；所述 回饋及同步部分的整流/回饋控制模塊Al與逆變輸出部分的逆變控制模塊A2之間由進(jìn)行 通訊的雙絞線連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)交流電壓、整流/回饋橋進(jìn)線側(cè)、逆變橋輸出側(cè)的電壓變化信 息的交換。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提出的帶電壓自適應(yīng)的提升機(jī)高壓變頻功率單元， 能夠組成高可靠性的礦井提升機(jī)專用的高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，礦井提升機(jī)在負(fù)力減 速或下放重物的過程中，可靠地將位能轉(zhuǎn)化成電能回饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，符合國 家節(jié)能減排的政策。對于目前國內(nèi)有數(shù)千臺(tái)的轉(zhuǎn)子外接金屬電阻進(jìn)行調(diào)速的交流提升機(jī)而 言，在主機(jī)、電動(dòng)機(jī)不需改變的情況下，只要把繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短接，采用基于本實(shí)用新型所提出的帶電壓自適應(yīng)的提升機(jī)高壓變頻功率單元的礦井提升機(jī)高壓變頻器，就 可以進(jìn)行技術(shù)改造和技術(shù)升級(jí)，達(dá)到節(jié)能、提高運(yùn)行性能和安全可靠性的目的，具有優(yōu)越的 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖1為本實(shí)用新型的電路原理圖。圖2為基于本實(shí)用新型所提出的帶電壓自適應(yīng)的提升機(jī)高壓變頻功率單元的礦 井提升機(jī)高壓變頻器的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖對本實(shí)用新型實(shí)施例加以說明在圖1中，本實(shí)用新型帶電壓自適應(yīng)的提升機(jī)高壓變頻功率單元，主要由電源濾 波及檢測部分①、回饋及同步部分②、直流儲(chǔ)能部分③、逆變輸出部分④等組成；電源濾波 及檢測部分主要由熔斷器RD1-3以及由Li、C5、L2組成的LCL濾波器和電源側(cè)電壓檢測單 元Ul組成，其中熔斷器RD1-3和LCL濾波器進(jìn)行順序連接，為回饋及同步部分的主回路提 供動(dòng)力電源，電源側(cè)電壓檢測模塊Ul接在熔斷器RD1-3和LCL濾波器的之間，對電網(wǎng)側(cè)的 電源進(jìn)行直接檢測，并將三相的交流電轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)電平，送入回饋及同步部分的電 壓同步及比較模塊Bl中，作為電網(wǎng)側(cè)的電壓信號(hào)；網(wǎng)側(cè)三相動(dòng)力電源從端子R、S、T接入本 部分，LCL濾波器中，L2的電感量為Ll的兩倍，C5為三相無極性三相電容器；進(jìn)線熔斷器 RD2短接。回饋及同步部分主要由絕緣柵晶閘管IGBT組成的三相整流/回饋橋QLl及其電流互感器LMl-I 3、整流/回饋橋觸發(fā)模塊Kl、功率單元輸入側(cè)電壓檢測模塊U2和電流 檢測單元II、電壓比較及同步模塊Bl和整流/回饋控制模塊Al組成；整流/回饋橋QLl 輸出的正極與直流儲(chǔ)能部分的電解電容Cl的正極相連作為直流儲(chǔ)能部分的直流母排“ + ” 極，整流/回饋橋QLl輸出的負(fù)極與直流儲(chǔ)能部分的電解電容C3的負(fù)極相連作為直流儲(chǔ)能 部分的直流母排“_”極；整流/回饋觸發(fā)模塊Kl與整流/回饋橋QLl中IGBT的柵極-發(fā) 射極相連，Kl在為IGBT提供觸發(fā)脈沖的同時(shí)實(shí)時(shí)采集整流/回饋橋QLl輸出兩端的直流 電壓；安裝于整流/回饋橋QLl進(jìn)線側(cè)的電流互感器LMl 3與電流檢測模塊Il相連并 采集整流/回饋橋QLl的三相電流，電流檢測模塊Il將三相交流電流轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn) 電平進(jìn)入電壓比較及同步模塊Bi，作為電流控制和保護(hù)信號(hào)；電壓檢測模塊U2對功率單元 輸入側(cè)的三相電壓進(jìn)行檢測，將三相的交流電轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)電平，輸入到電壓同步及 比較模塊Bl中，作為功率單元輸入側(cè)的電壓信號(hào)；電壓同步及比較模塊Bl與整流/回饋 橋觸發(fā)模塊Kl通過一組光纖相連，并且與整流/回饋控制模塊Al通過一組扁平電纜相連， 進(jìn)行觸發(fā)脈沖信號(hào)的傳送、實(shí)時(shí)電壓和電流信號(hào)的采集和控制。母排電壓在設(shè)定的范圍內(nèi)， 通過整流/回饋橋QLl中IGBT并聯(lián)的二極管組成的三相橋式電路，將三相輸入的交流電整 流成直流電，使母排兩端的直流電壓保持平衡狀態(tài)；母排電壓超過設(shè)定的范圍內(nèi)，電壓比較 及同步模塊Bl對回饋的電壓同步進(jìn)行控制，通過整流/回饋橋觸發(fā)模塊Kl對整流/回饋 橋QLl中三相橋臂上瞬時(shí)電壓最高的IGBT和瞬時(shí)電壓最低的IGBT進(jìn)行觸發(fā)，并形成循環(huán) 觸發(fā)控制，將母排兩端的直流電調(diào)制成與電網(wǎng)側(cè)相位一致、幅值相同的交流電壓，在這種情況下，通過電流互感器LM1-3檢測到的三相交流電流為負(fù)相序，表示功率單元處于能量回 饋狀態(tài)，在回饋狀態(tài)，母排兩端的直流電壓不會(huì)大幅度的升高并保持一定的平衡狀態(tài)，一旦 電網(wǎng)側(cè)的電壓有大的波動(dòng)，在電壓同步及比較模塊Bl的作用下，整流/回饋橋QLl回饋的 電壓與網(wǎng)側(cè)的電壓保持同步降落或升高，即使回饋的電壓與網(wǎng)側(cè)的電壓間存在瞬時(shí)的電壓 差，通過LCL濾波器，不至于形成大的短路電流，提高了功率單元的安全可靠性。 直流儲(chǔ)能部分由三組電解電容Cl、C2、C3串聯(lián)而成，分別在每組電解電容兩端并 接有均壓電阻R1、R2、R3，在串聯(lián)的電容組兩端母排形成“+” “-”兩極；無極性電容C4跨接 在母排的“+” “_”兩端，對直流儲(chǔ)能部分的直流電進(jìn)行濾波。在整流狀態(tài)，電流從整流/回 饋橋QLl的“+”流向逆變橋QL2的“+”繼而從逆變橋QL2的“_”流向整流/回饋橋QLl的 “_” ；在回饋狀態(tài)，電流從逆變橋QL2的“+”流向整流/回饋橋QLl的“+”繼而從整流/回 饋橋QLl的“-”流向逆變橋QL2的“-”。逆變輸出部分主要由兩相逆變橋QL2及其電流互感器LM4 5、逆變橋觸發(fā)模塊 K2、單相輸出側(cè)的電壓檢測模塊U3和電流檢測模塊12、電壓比較及自適應(yīng)模塊B2和逆變橋 控制模塊A2組成；逆變橋QL2的正極與直流母排的“ + ”極相連，逆變橋QL2的負(fù)極與直流 母排的“_”極相連，逆變橋QL2的兩相交流端從端子U、V輸出，與上下的功率單元相串聯(lián)以 形成高壓變頻器的一相輸出(請參見圖2)；逆變橋QL2中IGBT的柵極-發(fā)射極與逆變橋觸 發(fā)模塊K2相連，K2在為IGBT提供觸發(fā)脈沖的同時(shí)實(shí)時(shí)采集逆變橋QL2輸入兩端的直流電 壓，安裝于逆變橋QL2輸出側(cè)的電流互感器LM4 5與電流檢測單元12相連并采集逆變橋 QL2輸出的單相交流電流，電流檢測模塊12將單相交流電流轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)電平進(jìn)入電 壓比較及自適應(yīng)模塊B2，作為電流控制和保護(hù)信號(hào)；電壓檢測模塊U3對功率單元輸出側(cè)的 單相電壓進(jìn)行檢測，將單相的交流電壓轉(zhuǎn)換成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)電平，輸入到電壓比較及自適應(yīng) 單元B2中，作為功率單元輸出側(cè)的電壓信號(hào)；電壓比較及自適應(yīng)模塊B2與逆變橋觸發(fā)模塊 K2通過一組光纖相連，并且與逆變控制模塊A2通過一組扁平電纜相連，進(jìn)行觸發(fā)脈沖信號(hào) 的傳送、實(shí)時(shí)電壓和電流信號(hào)的采集和控制。電動(dòng)狀態(tài)，通過逆變橋QL2中IGBT將母排兩 端的直流電調(diào)制成單相交流電，在圖2中，高壓變頻器由三組這樣串聯(lián)的功率單元(A1-6、 Bl-6、Cl-6)而成，高壓變頻器輸出三相頻率、幅值可調(diào)的高壓交流電，直接對高壓電動(dòng)機(jī)的 定子進(jìn)行供電，網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)，母排電壓也隨著波動(dòng)，由于電壓比較及自適應(yīng)模塊B2的作 用，通過逆變橋觸發(fā)模塊K2對逆變橋QL2的觸發(fā)脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證功率單元輸出的交流 電壓保持平衡，不隨著網(wǎng)側(cè)的電壓變化而變化，在這種情況下，通過電流互感器LM4-5檢測 到的單相交流電流為正相序，表示功率單元處于逆變(電動(dòng))狀態(tài)；發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，功率單 元輸出側(cè)電壓升高，通過逆變橋QL2中并聯(lián)于IGBT兩端的二極管將功率單元輸出側(cè)的單向 交流電整流成直流電，使得母排兩端的電壓升高，在這種情況下，通過電流互感器LM4-5檢 測到的單相交流電流為負(fù)相序，表示功率單元處于回饋(制動(dòng))狀態(tài)。請參照圖1所示并請參見圖2，本實(shí)用新型所提出帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高 壓變頻功率單元的工作過程是當(dāng)電源濾波及檢測部分的三相輸入端子R、S、T得到供電 后，經(jīng)LCL濾波器濾波，三相交流電施加于整流/回饋橋QLl的交流“ ”輸入端，經(jīng)QLl整 流并對直流儲(chǔ)能部分中電解電容組充電，當(dāng)直流母排兩端的直流電壓上升到額定的60%， 整流/回饋橋觸發(fā)模塊Kl和逆變橋觸發(fā)模塊K2中的開關(guān)電源正常工作并為功率單元中各 控制檢測模塊提供工作直流電源，這時(shí)，整個(gè)功率單元處于待工作狀態(tài)，高壓變頻器的控制器AO執(zhí)行變頻器充電結(jié)束的指令，短接高壓變頻器中電源輸入部分的充電限流電阻，功率 單元得到額定的三相交流電，直流儲(chǔ)能部分得到額定的直流電并對其進(jìn)行濾波。在逆變橋 控制模塊A2得到高壓變頻器的控制器AO的運(yùn)行信號(hào)后，在逆變橋控制模塊A2、電壓比較 及自適應(yīng)模塊B2和逆變橋觸發(fā)模塊K2的作用下，逆變橋QL2將直流電調(diào)制成頻率可調(diào)、電 壓幅值可調(diào)的交流電，隨著逆變橋QL2輸出的頻率和電壓逐步升高，基于這種功率單元的 高壓變頻器的輸出頻率和電壓隨之升高，由高壓變頻器驅(qū)動(dòng)的礦井提升機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)入加速 階段，當(dāng)頻率升到額定頻率、電壓升到額定電壓后，提升機(jī)處于等速段運(yùn)行階段；在加速階 段和等速階段，檢測整流/回饋橋QLl的電流互感器LMl-I 3所檢測到的電流為正相序， 說明提升電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，基于本功率單元的提升機(jī)高壓變頻器工作在I象限。在減 速過程，功率單元接收到高壓變頻器的控制器AO的減速指令，在逆變橋控制模塊A2、電壓 比較及自適應(yīng)模塊B2和逆變橋觸發(fā)模塊K2的作用下，功率單元輸出的頻率、電壓逐漸下 降，由于提升機(jī)系統(tǒng)的大慣量的作用，提升電動(dòng)機(jī)處于超同步速即發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電機(jī)的定 子電壓通過逆變橋QL2的整流作用，使得直流母排的“ + ”和“_”之間的電壓逐漸升高，當(dāng)母 排電壓達(dá)到整流/回饋橋QLl的門檻電壓，在整流/回饋控制模塊Al、電壓比較及同步模 塊Bl和整流/回饋橋觸發(fā)模塊Kl的作用下，整流/回饋橋QLl經(jīng)過與功率單元網(wǎng)側(cè)的三 相交流電壓進(jìn)行相位及幅值的同步之后，將母排的直流電壓調(diào)制成交流電壓經(jīng)LCL濾波器 回饋到功率單元的網(wǎng)側(cè)上，通過高壓變頻器中的移相整流變壓器的電流耦合作用，將能量 回饋到電網(wǎng)中去，在這個(gè)過程中，整流/回饋橋QLl進(jìn)線側(cè)的電流互感器LM1-3所檢測到的 電流為負(fù)相序，說明提升電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，本功率單元工作在II象限。反向亦然，加速 及等速段，提升電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，本功率單元工作在III象限，減速階段，提升電動(dòng)機(jī) 處于發(fā)電狀態(tài)，本功率單元工作在IV象限。功率單元工作在II、IV象限即電動(dòng)的過程中， 當(dāng)功率單元網(wǎng)側(cè)電電壓上下波動(dòng)，母排電壓電壓也隨著波動(dòng)，但是，在電壓比較及自適應(yīng)模 塊B2和逆變橋觸發(fā)模塊K2的作用下，及時(shí)調(diào)整逆變橋的觸發(fā)角，確保逆變橋的輸出電壓不 變，這樣，基于這種功率單元的高壓變頻器輸出的電壓幅值就不隨著網(wǎng)側(cè)的電壓波動(dòng)而波 動(dòng)，保證提升電動(dòng)機(jī)的速度、力矩在一定的條件下恒定；在功率單元工作在I、III象限即回 饋制動(dòng)的過程中，盡管功率單元網(wǎng)側(cè)電壓在上下波動(dòng)，但是，在電壓比較及同步模塊Bl和 整流/回饋橋觸發(fā)模塊Kl的作用下，及時(shí)調(diào)整整流/回饋橋的觸發(fā)角，確保整流/回饋橋 回饋到交流側(cè)的三相交流電壓的相位、幅值與網(wǎng)側(cè)基本保持一致，這樣，功率單元在回饋的 過程中，不因網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)造成網(wǎng)側(cè)與整流/回饋橋交流側(cè)之間存在較大的瞬時(shí)電壓差， 形成隱性的短路現(xiàn)象而造成功率單元的損壞，確保高壓變頻器的安全可靠運(yùn)行；因此，本功 率單元具有四象限運(yùn)行的功能且具有與電網(wǎng)電壓相適應(yīng)的電壓自適應(yīng)功能，適合于提升機(jī) 運(yùn)行的工況要求。另外，在提升機(jī)下放重物或負(fù)力減速過程中，為了產(chǎn)生電氣制動(dòng)力并且能 夠使提升機(jī)的速度處于可控狀態(tài)，提升電動(dòng)機(jī)處于超同步速運(yùn)行即發(fā)電狀態(tài)，將提升負(fù)載 的位能或勢能轉(zhuǎn)換成電能，電動(dòng)機(jī)輸出電流流經(jīng)逆變橋QL2，逆變橋QL2將交流電整流成直 流電，使直流儲(chǔ)能部分直流母排“+”和“_”兩端的電壓升高，達(dá)到整流/回饋橋QLl的回饋 電能的門檻電壓時(shí)，回饋橋QLl開始回饋電能，回饋橋QLl將直流電壓調(diào)制成與網(wǎng)側(cè)電壓和 頻率相同的三相交流電，經(jīng)高壓變頻器中的整流變壓器回饋到電網(wǎng)中，達(dá)到將位能轉(zhuǎn)換成 電能即節(jié)能的目的，在整流/回饋橋QLl進(jìn)行回饋電能的過程中，直流母排“+”和“-”兩端 的電壓不再繼續(xù)升高，整流/回饋橋QLl、各電解電容、逆變橋QL2等功率元件承受到可控 的有限電壓，確保器件的安全工作.
權(quán)利要求一種帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元，主要包括并且順序連接的為回饋及同步部分的主回路提供動(dòng)力電源，并對電網(wǎng)側(cè)的電源電壓進(jìn)行直接檢測的電源濾波及檢測部分；將網(wǎng)側(cè)的50HZ交流電源整流成直流回路的直流電或?qū)⒅绷骰芈返闹绷麟娬{(diào)制成并疊加到網(wǎng)側(cè)的50HZ交流電的回饋及同步部分；對直流回路進(jìn)行濾波并將部分能量儲(chǔ)存的直流儲(chǔ)能部分；在電動(dòng)狀態(tài)將直流回路的直流電調(diào)制成0-50HZ的交流電，在回饋狀態(tài)將0-50HZ的交流電調(diào)制成直流電并疊加到直流回路中的逆變輸出部分；其特征是在所述電源濾波及檢測部分設(shè)置有由L1、C5、L2組成的LCL濾波器，該LCL濾波器位于變頻功率單元的網(wǎng)側(cè)與進(jìn)線側(cè)之間其中，L2的電感量為L1的兩倍，電容C5為三相無極性電容器；所述回饋及同步部分的整流/回饋控制模塊A1與逆變輸出部分的逆變控制模塊A2之間由進(jìn)行通訊的雙絞線連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)交流電壓、整流/回饋橋進(jìn)線側(cè)、逆變橋輸出側(cè)的電壓變化信息的交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元，其特征 是所述電源濾波及檢測部分的進(jìn)線熔斷器RD2短接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元，其特征 是所述回饋及同步部分的整流/回饋橋QLl為三相全控橋，所述逆變輸出部分的逆變橋 QL2為單相全控橋，QL1、QL2中功率器件為電壓等級(jí)1700V的大功率IGBT。
專利摘要本實(shí)用新型公開的帶電壓自適應(yīng)的礦井提升機(jī)高壓變頻功率單元，主要包括并且順序連接的有電源濾波及檢測部分；回饋及同步部分；直流儲(chǔ)能部分；逆變輸出部分；在所述電源濾波及檢測部分設(shè)置有由L1、C5、L2組成的LCL濾波器，該LCL濾波器位于變頻功率單元的網(wǎng)側(cè)與進(jìn)線側(cè)之間其中，L2的電感量為L1的兩倍，電容C5為三相無極性電容器；所述回饋及同步部分的整流/回饋控制模塊A1與逆變輸出部分的逆變控制模塊A2之間由進(jìn)行通訊的雙絞線連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)交流電壓、整流/回饋橋進(jìn)線側(cè)、逆變橋輸出側(cè)的電壓變化信息的交換。本實(shí)用新型提出的高壓變頻器，在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用更加安全可靠、調(diào)速性能優(yōu)越，并可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
文檔編號(hào)H02M5/458GK201590764SQ20092029827
公開日2010年9月22日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者鄭孝平 申請人:洛陽源創(chuàng)電氣有限公司