礦用機車直流轉交流逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種礦用機車直流轉交流逆變器，涉及通過磁場方向控制來控制電機的裝置或系統(tǒng)【技術領域】。逆變器的直流電源的正負極之間并聯(lián)有三條支路，第一條為串聯(lián)后的電阻R1和電阻R2，第二條為串聯(lián)后的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；還包括過壓保護模塊、過流檢測模塊、電流檢測模塊、直流電壓監(jiān)測模塊、泵升電壓檢測模塊、微處理器模塊、三相監(jiān)測電路、低通濾波以及IGBT過熱監(jiān)測模塊。所述逆變器啟動時間較短，起動轉矩較大，起動電流較小，逆變器制造成本較低。
【專利說明】礦用機車直流轉交流逆變器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及通過磁場方向控制來控制電機的裝置或系統(tǒng)【技術領域】，尤其涉及一種礦用機車直流轉交流逆變器。

【背景技術】
[0002]起動性能幾乎是衡量所有變頻調速系統(tǒng)最重要的指標之一，尤其在交流傳動機車等大慣性負載系統(tǒng)中，一般都希望機械方面起動過程中有大的起動轉矩，同時電氣方面起動電流盡量小，而且恒轉矩起動，恒功率運行。14噸和18噸礦用直交傳動系統(tǒng)電機起動時往往輸出轉矩不足卻經(jīng)常出現(xiàn)較大的沖擊電流，嚴重時甚至可能造成逆變器中開關器件的損壞。但是，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于37.5kW、10kW的采用直接轉矩控制策略的礦用機車兩電平變頻調速系統(tǒng)中，在電機低頻起動時常常出現(xiàn)較大的沖擊電流。在37.5kW變頻器-電機系統(tǒng)中，這種過大的電流沖擊最高可能達到165A，而空載穩(wěn)態(tài)時的電流峰值僅為32A，系統(tǒng)滿負荷時的峰值電流也只有120A。過大的電流沖擊容易損壞電機絕緣，危害變頻器開關器件；其次，盡管起動電流很大，但輸出機械轉矩并不大。
[0003]為了避免過大的沖擊電流，逆變器制造中還常常需要將器件電流裕度提高，但是電流裕度大大提高，往往大大增加制造成本。ABB公司的ACS800系列變頻器在電機起動之前，有效建立磁場，從而使得起動時刻的電流峰值與穩(wěn)態(tài)差不多，起動轉矩達到額定轉矩的200 %，但具體勵磁方式不詳。為了抑制起動過電流，多數(shù)采用的是高電流裕量的電力電子器件，這在小容量裝置中尚可，應用到中大容量變頻調速系統(tǒng)時就受到現(xiàn)有器件電流等級的限制。為了抑制起動過電流，可以采用軟啟動方式，但是起動轉矩小，啟動時間長。多數(shù)采用的是高電流裕量的電力電子器件，大大增加了制造成本。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種礦用機車直流轉交流逆變器，所述逆變器啟動時間較短，起動轉矩較大，起動電流較小，逆變器制造成本較低。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型所采取的技術方案是:一種礦用機車直流轉交流逆變器，其特征在于:直流電源的正負極之間并聯(lián)有三條支路，第一條為串聯(lián)后的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯(lián)后的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸出端連接，用于檢測直流電源輸入端的電壓，當電壓超過閾值時，作出保護；過流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸入端連接，用于檢測直流電源的電流，當電流超過閾值時，作出保護；電流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于檢測輸入電流；直流電壓監(jiān)測模塊，位于所述第二條支路和第三條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于實時監(jiān)測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經(jīng)驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經(jīng)隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經(jīng)IGBT變換模塊變換后的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經(jīng)三相監(jiān)測電路和低通濾波后輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監(jiān)測模塊的輸出端經(jīng)故障信號處理模塊處理后輸入給微處理器模塊。
[0006]進一步優(yōu)選的技術方案在于:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板。
[0007]進一步優(yōu)選的技術方案在于:所述電阻Rl和電阻R2的兩端并聯(lián)有濾波電容，IGBT管的漏極和源極之間設有續(xù)流二極管。
[0008]采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于:所述逆變器通過易于測量的定子電壓、電流和轉速等，借助瞬時空間矢量理論直接計算出電機的磁鏈和轉矩，利用兩個滯環(huán)比較器，實際就是轉矩控制器，直接對定子磁鏈和轉矩控制。具有啟動時間較短，起動轉矩較大，起動電流較小，逆變器制造成本較低的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0010]圖1是本實用新型中逆變器的原理框圖；
[0011]圖2是本實用新型中轉矩控制系統(tǒng)的原理框圖；
[0012]圖3是轉矩調節(jié)器的原理框圖；
[0013]圖4是空間電壓矢量輸出等效電路原理圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0015]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型，但是本實用新型還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。
[0016]實施例一
[0017]如圖1所示，一種礦用機車直流轉交流逆變器，直流電源的正負極之間并聯(lián)有三條支路，第一條為串聯(lián)后的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯(lián)后的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸出端連接，用于檢測直流電源輸入端的電壓，當電壓超過閾值時，作出保護；過流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸入端連接，用于檢測直流電源的電流，當電流超過閾值時，作出保護；電流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于檢測輸入電流；直流電壓監(jiān)測模塊，位于所述第二條支路和第三條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于實時監(jiān)測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經(jīng)驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經(jīng)隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經(jīng)IGBT變換模塊變換后的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經(jīng)三相監(jiān)測電路和低通濾波后輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監(jiān)測模塊的輸出端經(jīng)故障信號處理模塊處理后輸入給微處理器模塊。
[0018]進一步優(yōu)選的技術方案在于:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板，但是微處理器模塊并不局限于上述模塊，本領域普通的技術人員可以根據(jù)需要對其進行選型。本領域技術人員還能夠得出，所述電阻Rl和電阻R2的兩端并聯(lián)有濾波電容，用于濾波，IGBT管的漏極和源極之間設有續(xù)流二極管，防止IGBT管反向擊穿。
[0019]實施例二
[0020]如圖2所示，本實用新型還公開了一種礦用機車轉矩控制系統(tǒng)，包括:速度控制器，用于根據(jù)實際測量的速度和給定速度進行比較，對實際速度進行控制；磁通參考控制器任務是通過定子電壓空間向量將定子磁通的幅值控制在允許的范圍內，使磁通的軌跡接近圓形，根據(jù)接收的磁通優(yōu)化量進行計算，輸出一個磁通范圍給轉矩控制模塊進行計算；轉矩參考控制器，用于實現(xiàn)對轉矩的直接控制，或通過正反調節(jié)器，在調節(jié)轉矩的同時，通過DMC算法給出正確的磁鏈開關信號，控制定子磁鏈的旋轉方向，以加強轉矩的調節(jié)；逆變器，用于根據(jù)來自最優(yōu)脈沖選擇器輸出的開關位置命令，以控制逆變器輸出電機的需要的電壓，滿足轉矩的需要。
[0021]所述逆變器的原理是:通過易于測量的定子電壓、電流和轉速等，借助瞬時空間矢量理論直接計算出電機的磁鏈和轉矩，利用兩個滯環(huán)比較器，實際就是轉矩控制器，直接對定子磁鏈和轉矩控制。為了控制轉矩，轉矩調節(jié)必須具備兩個功能:一個功能是轉矩調節(jié)器直接調節(jié)轉矩，另外一個功能是用PN調節(jié)器(正反轉調節(jié)器)，在調節(jié)轉矩的同時，控制定子磁鏈的旋轉方向，以加強轉矩的調節(jié)。
[0022]轉矩調節(jié)器ATR的框圖工作原理如圖3所示，并說明如下:
[0023]I)實際轉矩值 Tf 當 Tf < Tg 時，且(Tf-Tg) < - ε τ，但(Tf-Tg) > - ε ΡΝ 時，TQ =1，PN= I。這時實際轉矩Tf比給定轉矩!；小，所以可以讓開關信號選擇輸出信號，讓Vs(t)沿六邊形的邊運動，增大Θ⑴角，以增大轉矩；iTf>Tg，且(Tf-Tg) > +、但(Tf-Tg) >+ ε PN時，TQ = 0，PN = I。這時，由于實際轉矩Tf比給定轉矩Tg大，可讓ASS選擇AZS的零矢量，使Vs(t)暫停，減小Θ (t)角，以使轉矩減小。于是，Tf與Tg之差被控制在± ετ范圍內，同時，Vs(t)走走停停。逆變器開關模式也就不斷地切換，從而形成PWM電壓波形。
[0024]實際轉矩值為Tf，控制給定值是Tg
[0025]2)當轉矩給定值突然變化較大時，會出現(xiàn)以下情況:當Tf〈Tg，且(Tf-Tg)< -ε PN,(因而肯定<_ετ)時，TQ= 1，PN= I。這時，仍選擇DMC的信號，使￥s(t)沿著六邊形的邊運動，以增加Tf ;當Tf>Tg。
[0026]以機子磁鏈^和A為狀態(tài)變量的感應電機的狀態(tài)方程:
dws Rs RsLm 一
[0027]dL =— + n ^⑴
?ψ,.— —jco — ~^ Li」L0」
]T」L oiA r OiJ
L2一
[0028]式中:σ = 1-—一稱為電機漏感系數(shù)，ρη表示感應電機的極對數(shù)
[0029]逆變器的輸出電壓Us (t)直接加到異步電動機的定子上，定子磁鏈Vs(t)與定子電壓Us(t)之間的關系由下式確定，
[0030]vs(t) = / (us(t)-1s(t)Rs)dt
[0031]電機的電磁轉矩可以表示為定子磁鏈和轉子磁鏈的形式:
[0032]Te Pn L" ψ5 χψΓ Pnψ5.ψΓ siny(2)
2 ^LsLr2 GLsLr
[0033]公式中的“ X ”表示矢量積。此外電磁轉矩還可以用定子磁鏈和定子電流來表示，在α-β坐標系下的電磁轉矩方程為:
[0034]Te = pn (ispWsa -1sa￥sP)=P? {ψ, ? /.、) = PlMfJs sin Us)⑶
[0035]由于在DSP的PWM控制周期內每相采用斬波方式發(fā)出電壓矢量，勵磁電流將以Ici為中心上下小幅波動，因而在轉子側也感應出電流，且認為勵磁電流達到穩(wěn)態(tài)時，由于此時磁鏈無變化，轉子回路閉合，因此L = 0，則有
ψΜ = ψΜ4
[0036]^ Ws(^) = LJsl =Ls^-(4)

K
Wrih) ~ LnJsl = Lm —
[0037]此時空間電壓矢量輸出等效電路原理圖如圖4所示。
[0038]逆變器的輸出電壓Us (t)直接加到異步電動機的定子上，定子磁鏈Vs(t)與定子電壓us(t)之間的關系由下式式確定，
[0039]￥s(t) = / (us(t)-1s(t)Rs) dt (5)
[0040]注意事項:(I)起動時刻，為了有效利用所建立的磁場，應當在預勵磁結束瞬間立刻起動電機，否則磁場將隨著電流的衰減而衰減。當電流為O時，使得勵磁效果沒有得到充分運用。
[0041](2)有效勵磁時間時間越長，勵磁效果越充分，輸出電磁轉矩越大。為了能夠達到預定的電流值，至少要求有效勵磁時間0.10s。
[0042](3)勵磁電壓幅值越大，穩(wěn)態(tài)勵磁電流越大，輸出轉矩越大，可要注意電機絕緣要求的耐壓和電流值。
[0043](4)輸出轉矩在勵磁電壓矢量和起動時刻電壓矢量之間的角度Θ =90°左右時達到最大值。
[0044](5)在直流預勵磁中，采用直流斬波的方式，在軟件控制中即表現(xiàn)為較大電壓矢量和零矢量交替發(fā)出，占空比取0.95，同時注意在勵磁過程加入定子電流限幅環(huán)節(jié)(定子電流不能超過額定電流太多，所以在控制軟件里，加上上限值)。
[0045]設定為自動時，可使起動時的電壓自動提升以補償起動轉矩，使電動機順利起動。如采用手動補償時，根據(jù)機車負載特性，尤其是負載的起動特性，通過試驗可選出較佳曲線。對于恒負載，如選擇不當會出現(xiàn)低速時的輸出電壓過高，而浪費電能的現(xiàn)象，甚至還會出現(xiàn)電動機帶負載起動時電流大，而轉速上不去的現(xiàn)象。
【權利要求】
1.一種礦用機車直流轉交流逆變器，其特征在于:直流電源的正負極之間并聯(lián)有三條支路，第一條為串聯(lián)后的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯(lián)后的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸出端連接，用于檢測直流電源輸入端的電壓，當電壓超過閾值時，作出保護；過流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與故障信號處理單元的輸入端連接，用于檢測直流電源的電流，當電流超過閾值時，作出保護；電流檢測模塊，位于所述的第一條支路和第二條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于檢測輸入電流；直流電壓監(jiān)測模塊，位于所述第二條支路和第三條支路之間，輸出端與微處理器模塊的輸入端連接，用于實時監(jiān)測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經(jīng)驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經(jīng)隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經(jīng)IGBT變換模塊變換后的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經(jīng)三相監(jiān)測電路和低通濾波后輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監(jiān)測模塊的輸出端經(jīng)故障信號處理模塊處理后輸入給微處理器模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的礦用機車直流轉交流逆變器，其特征在于:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的礦用機車直流轉交流逆變器，其特征在于:所述電阻Rl和電阻R2的兩端并聯(lián)有濾波電容，IGBT管的漏極和源極之間設有續(xù)流二極管。
【文檔編號】H02P21/14GK204013311SQ201420329825
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權日:2014年6月19日
【發(fā)明者】高鋒陽, 陶彩霞, 路顏 申請人:蘭州交通大學