專利名稱：內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置。
背景技術(shù)：
我國是一個電力資源非常短缺的國家，節(jié)能作為一項(xiàng)重要的技術(shù)政 策，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。風(fēng)機(jī)和水泵在國民經(jīng)濟(jì)各部門中 應(yīng)用的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國風(fēng)機(jī)和水泵的
耗電量占到整個工業(yè)用電量的40%以上，而風(fēng)機(jī)、水泵一般在運(yùn)行中都 要進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，相應(yīng)的流量也要跟蹤調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是調(diào)節(jié)入口 或出口的閥門開度，使得風(fēng)機(jī)、水泵用電量的30%-40%消耗在調(diào)節(jié)閥門 及管網(wǎng)壓降上，這是一種效益差、能耗大、設(shè)備損壞快、維修量大、運(yùn)行 費(fèi)用高的落后辦法，不僅造成了電能的巨大浪費(fèi)，而且與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)也 有相當(dāng)大的差距。如果對風(fēng)機(jī)、水泵進(jìn)行調(diào)速，則可以取得很好的節(jié)能效 果，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前比較有發(fā)展前景的高壓大功率調(diào)速技術(shù)應(yīng)該是串 級調(diào)速技術(shù)和高壓變頻技術(shù)，其中串級調(diào)速技術(shù)是從電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)來實(shí)現(xiàn)調(diào) 速，而高壓變頻調(diào)速技術(shù)是直接從定子側(cè)來調(diào)速，兩者各有千秋。但是對 于那些調(diào)速性能要求不高，調(diào)速范圍不寬的高壓大功率風(fēng)機(jī)、水泵，串級 調(diào)速是一種比較經(jīng)濟(jì)可行的調(diào)速方案。然而傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)存在功率 因數(shù)低、諧波含量大等缺點(diǎn)，并且目前工業(yè)現(xiàn)場使用的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速 系統(tǒng)的斬波器大多采用開環(huán)控制，其動態(tài)性能不好，轉(zhuǎn)子整流電流不可控，容易發(fā)生過流故障，使得裝置的可靠性降低，這些都影響了串級調(diào)速在風(fēng) 機(jī)、泵類負(fù)載調(diào)速場合的推廣應(yīng)用?；诖耍景l(fā)明采用數(shù)字信號處理器 對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波器實(shí)行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，且斬波器采用錯相 控制，減小直流電流脈動，使其性能和可靠性得到提高，同時(shí)對傳統(tǒng)有源
逆變器進(jìn)行改造，采用全控器件IGBT構(gòu)成有源逆變器的上橋臂，下橋臂 依然采用半控器件晶閘管SCR構(gòu)成，這樣不僅可以快速的進(jìn)行過流保護(hù)， 還可以有效防止系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時(shí)存在晶閘管逆變顛覆的問題。因此采用新 的電力電子技術(shù)及新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，對內(nèi)饋斬波串級調(diào)速的斬波 器實(shí)行數(shù)字式雙閉環(huán)控制，使之共同作用于串級調(diào)速，在技術(shù)上將會使串 級調(diào)速系統(tǒng)上升一個臺階。
目前關(guān)于串級調(diào)速裝置的已公開的專利大致有以下幾類
(1) 傳統(tǒng)型這種類型主電路拓?fù)渲饕烧髂K，逆變模塊構(gòu)成，
沒有斬波模塊，其功率因數(shù)比較低，直流脈動也大，如專利CN02109096. 3 所公開的定子雙繞組內(nèi)反饋串級調(diào)速高壓電動機(jī)及其調(diào)速控制裝置。
(2) 開環(huán)控制型這種類型主電路雖然也帶有斬波環(huán)節(jié)，但是其不 足是采用開環(huán)控制，容易發(fā)生過流保護(hù)，且斬波環(huán)節(jié)不是采用移相控制， 直流電流脈動大。如專利02260070所公開的內(nèi)反饋式高頻斬波交流調(diào)速 裝置。
(3) 閉環(huán)控制型這種類型主電路斬波器帶有閉環(huán)控制，但是由于 其電流環(huán)采用兩點(diǎn)式滯環(huán)控制，IGBT開關(guān)頻率不固定，有的高達(dá)好幾千 赫玆，開關(guān)損耗比較大，散熱比較難。如專利200710122573所公開的IGBT 逆變器中壓電動機(jī)斬波式雙DSP數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)。(4)逆變顛覆保護(hù)型這種類型在有源逆變器直流側(cè)串聯(lián)IGBT來防 止逆變顛覆，后端全部采用IGBT來構(gòu)成有源逆變器，不僅控制比較復(fù)雜， 而且其成本比較高，接近高壓變頻器成本，因此在價(jià)格上不占有優(yōu)勢。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，其具有 快速過流及掉電故障保護(hù)的特點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，包括由內(nèi)饋 電機(jī)和串級調(diào)速裝置組成的主電路和控制模塊，內(nèi)饋電機(jī)包括定子繞組、 轉(zhuǎn)子繞組和調(diào)節(jié)繞組，串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分；
整流部分為由大功率二極管構(gòu)成的三相整流橋，三相整流橋接收來自 轉(zhuǎn)子繞組的電流；
斬波部分由兩個斬波模塊并聯(lián)而成，斬波模塊包括連接至三相整流橋 輸出端的電感，電感的另一端分別連接至第一二極管的正極和由第一絕緣 柵雙極晶體管以及方向并聯(lián)在第二絕緣柵雙極晶體管兩端的第二二極管 組成的第二并聯(lián)電路的一端，并聯(lián)電路的另一端連接至三相整流橋的另一 輸出端；
第一二極管的負(fù)極連接至一電容的正極，而電容的負(fù)極連接至第二并 聯(lián)電路的另一端；
逆變部分包括有源逆變器，有源逆變器包括串聯(lián)的上橋臂和下橋臂， 上橋臂包括三個由第三絕緣柵雙極晶體管以及反向并聯(lián)在第三絕緣柵雙 極晶體管兩端的第三二極管組成的第三并聯(lián)電路，三個第三并聯(lián)電路的輸 入端連接至第一二極管的負(fù)極，下橋臂包括三個輸入端分別連接至三個上橋臂的第三并聯(lián)電路輸出端的可控硅晶體管，三個可控硅晶體管的輸出端 與電容的負(fù)極相連接，有源逆變器的上橋臂和下橋臂的連接點(diǎn)連到內(nèi)饋電
機(jī)的調(diào)節(jié)繞組上；
控制模塊接收來自測速接近開關(guān)從內(nèi)饋電機(jī)處取得的信號以及從斬 波部分輸出的電流信號，并根據(jù)雙閉環(huán)控制算法以及錯相控制法產(chǎn)生的錯 相的斬波脈沖輸出至第一絕緣柵雙極晶體管的控制端，另外控制模塊還產(chǎn) 生有源逆變脈沖輸出至第二絕緣柵雙極晶體管的控制端以及可控硅晶體 管的控制端。
本發(fā)明的斬波串級調(diào)速裝置的特點(diǎn)是(l)兩個斬波模塊采用錯相控 制，提高了等效開關(guān)頻率，減少了直流電流脈動；(2)有源逆變器上橋臂 采用可控電力電子器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，下橋臂釆用半控器件 可控硅晶體管(SCR)構(gòu)成，可以進(jìn)行快速的過流保護(hù)，并且可以有效防 止系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時(shí)容易發(fā)生的逆變顛覆故障。
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明


圖1為本發(fā)明的一具體內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置的主電路連接示意圖2為本發(fā)明的一具體內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置的控制模塊示意圖3為本發(fā)明的斬波雙閉環(huán)控制示意圖4為傳統(tǒng)控制的斬波電流波形示意圖5為本發(fā)明的錯相控制的斬波電流波形及合成波形示意圖。
具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具有快速過流及掉電故障保護(hù)的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置如圖1和圖2所示。圖1為本發(fā)明的一具體裝置的主電路示意圖，圖2為本 發(fā)明的一具體裝置的控制模塊示意圖。主電路包括內(nèi)饋電機(jī)與串級調(diào)速裝 置兩部分構(gòu)成。其中內(nèi)饋電機(jī)又分為三個部分，定子繞組(流過的電流為 厶)，轉(zhuǎn)子繞組(流過的電流為l)，調(diào)節(jié)繞組(流過的電流為力)。串級 調(diào)速裝置包括整流部分，斬波部分和逆變部分。其中整流部分中的整流器 為大功率二極管構(gòu)成的三相整流橋DR，其功能是把來自所述轉(zhuǎn)子繞組交 流電7;變成直流電。斬波部分由兩個相位差90° (相位差9二ji/N，這里 N=2)的斬波模塊構(gòu)成，斬波模塊包括連接至三相整流橋DR—輸出端的電 感，電感的另一端分別連接至第一二極管的正極和由第一絕緣柵雙極晶體 管以及反向并聯(lián)在第二絕緣柵雙極晶體管兩端的第二二極管組成的第二 并聯(lián)電路的一端，并聯(lián)電路的另一端連接至三相整流橋的另一輸出端；具 體地，本實(shí)例中的一個斬波模塊包括電感L、連接在電感L另一端的 IGBT1、反向并聯(lián)在IGBT1兩端的二極管Dh和其正極同樣連接至L,另一 端的二極管D4，流入IGBT1的電流是力；另一斬波模塊包括L、連接在 電感U另一端的IGBT2、反向并聯(lián)在IGBT2兩端的二極管D2i和其正極同 樣連接至U另一端的二極管D6，流入IGBT2的電流是i2。兩個斬波模塊 在A，B兩點(diǎn)相連接，其中A是分開點(diǎn)，B點(diǎn)是匯集點(diǎn)。兩個斬波模塊由控 制模塊進(jìn)行速度電流雙閉環(huán)控制，且兩個斬波模塊之間實(shí)行錯相控制，提 高了等效開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗和直流電流脈動。斬波模塊后端連接 于儲能電容C，儲能電容后端連接有源逆變器，即B點(diǎn)連接至電容C的正 極。
逆變部分包括有源逆變器,本發(fā)明的有源逆變器同傳統(tǒng)逆變器不同地方是上橋臂包括可控電力電子器件IGBT構(gòu)成。如圖1所示， IGBT3， IGBT5， IGBT7構(gòu)成有源逆變器的上橋臂，且每個IGBT器件的兩端反 向并聯(lián)一二極管，分別為D3，D5，D7;而下橋臂由可控硅晶體管 SCR4， SCR6， SCR8構(gòu)成。有源逆變器中串聯(lián)的上橋臂和下橋臂的連接點(diǎn)D、E、 F三點(diǎn)連接內(nèi)饋電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組側(cè)，其逆變電流是7>。
控制模塊，用于給主電路中的IGBT器件和SCR期間提供脈沖作為控制 信號，包括數(shù)字信號處理器(DSP控制器)、可編程的邏輯控制器(PLC)
和人機(jī)界面。其中DSP控制器接收從斬波部分輸出的電流信號z'5和來自測 速接近開關(guān)101從內(nèi)饋電機(jī)處取得的信號^，根據(jù)雙閉環(huán)控制算法以及錯
相控制法產(chǎn)生的錯相的斬波脈沖PWM1和PWM2分別輸出至IGBT1和IGBT2的 控制端，另外DSP控制器還產(chǎn)生有源逆變脈沖PWM3、 PWM5、 PWM7和PUL4、 PUL6、PUL8分別輸出至有源逆變部器中的器件IGBT3、IGBT5、IGBT7和SCR4、 SCR6、 SCR8的控制端。PLC根據(jù)從DSP控制器中取得的信息對斬波部分和逆 變部分進(jìn)行工藝控制，同時(shí)在斬波部分或逆變部分出現(xiàn)非正常工作狀態(tài) 時(shí)，(即過流、過壓或掉電等)，反饋信息至DSP控制器以使其不輸出脈 沖至斬波部分或逆變部分。 一具體的實(shí)例中，DSP控制器芯片可采用Ti公 司的TMS320LF2407， PLC可采用西門子S200， DSP控制器與PLC之間通過 RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
傳統(tǒng)串級調(diào)速的斬波器采用開關(guān)控制，而本發(fā)明的斬波模塊采用速 度、電流雙閉環(huán)控制，其雙閉環(huán)控制示意如圖3所示其中外環(huán)是速度環(huán)， 它的給定信號K(W是通過人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定，反饋信號^是通過測速接 近開關(guān)從內(nèi)饋電機(jī)得到的，并經(jīng)過一階濾波器送往速度環(huán)ASR，速度環(huán)的輸出量4)C是電流環(huán)的給定信號，電流環(huán)的反饋信號/^(即為圖1中的/5) 是從斬波模塊輸入端經(jīng)過霍爾器件得到，同樣是經(jīng)過一階濾波器送往電流
環(huán)ACR，電流環(huán)的輸出"就是占空比控制變量，送到斬波脈沖發(fā)生器，形 成觸發(fā)脈動，并經(jīng)過脈沖放大器輸出至斬波模塊中的IGBT進(jìn)行通斷控制。 其中本實(shí)例中，根據(jù)占空比D產(chǎn)生脈沖PWM1輸出至IGBT1的控制端。另 根據(jù)對占空比D進(jìn)行錯相處理后得到另一占空比數(shù)值，將該占空比數(shù)值送 到斬波脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生與脈沖PWM1有相位差的脈沖PWM2輸出至IGBT2 的控制端，形成斬波模塊的錯相控制。具體的，脈沖PWM1和脈沖PWM2 的相位差由N的選值決定，e = ax/N，這里^2。
因此，本發(fā)明的斬波模塊除了進(jìn)行速度電流雙閉環(huán)控制外，兩個斬波 器還采用錯相控制，這樣可以提高等效開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗和直流電 流脈動。圖4是傳統(tǒng)斬波器進(jìn)行斬波得到的電流波形，圖5是采用錯相控 制不同斬波模塊的電流波形(相位差為90° )以及兩個電流波形合成后 的合成波形，從其合成波形可以看出，其直流脈動與傳統(tǒng)斬波器的相比， 等效開關(guān)頻率為傳統(tǒng)斬波器的兩倍，因此直流脈動比較小。
DSP控制器主要完成(l)兩個斬波模塊的速度電流雙閉環(huán)控制算法， PWM脈沖的產(chǎn)生；(2)斬波模塊的錯相控制；(3)有源逆變器的控制算法 及相應(yīng)脈沖的產(chǎn)生；(4)過流、過壓等要求快速性的故障保護(hù)。PLC主要 完成整個系統(tǒng)的工藝控制及相應(yīng)器件的動作，其中包括系統(tǒng)啟動及斬波器 的工藝控制，有源逆變器的工藝控制。此外，PLC還通過串行通信與人機(jī) 見面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送往人機(jī)界面進(jìn)行顯示，同時(shí)接收人機(jī) 界面上的指令動作。傳統(tǒng)串級調(diào)速后端采用晶閘管有源逆變，因此其是電壓自然過零點(diǎn)關(guān) 斷，這樣一旦系統(tǒng)電網(wǎng)電壓掉電，則直流側(cè)電容電壓與交流電網(wǎng)側(cè)容易發(fā) 生逆變顛覆故障，且晶閘管是半控器件，因此在發(fā)生逆變過流時(shí)，不能立 即關(guān)斷，因此容易發(fā)生逆變過流故障，損壞晶閘管。而上橋臂采用可控器
件IGBT，這樣在系統(tǒng)電網(wǎng)掉電時(shí)，IGBT器件可以立即關(guān)斷，而不用等到 電網(wǎng)電壓自然過零點(diǎn)才關(guān)斷，可以有效防止逆變顛覆故障。此外，當(dāng)DSP 控制器檢測到逆變電流過大時(shí)，能夠迅速控制IGBT關(guān)斷，快速對逆變電 流故障進(jìn)行保護(hù)。
權(quán)利要求1.一種內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，包括由內(nèi)饋電機(jī)和串級調(diào)速裝置組成的主電路和控制模塊，所述內(nèi)饋電機(jī)包括定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和調(diào)節(jié)繞組，所述串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分，其特征在于所述整流部分為由大功率二極管構(gòu)成的三相整流橋，所述三相整流橋接收來自所述轉(zhuǎn)子繞組的電流；所述斬波部分由兩個斬波模塊并聯(lián)而成，所述斬波模塊包括連接至所述三相整流橋輸出端的電感，所述電感的另一端分別連接至第一二極管的正極和由第一絕緣柵雙極晶體管以及所述反向并聯(lián)在第二絕緣柵雙極晶體管兩端的第二二極管組成的第二并聯(lián)電路的一端，所述并聯(lián)電路的另一端連接至所述三相整流橋的另一輸出端；所述第一二極管的負(fù)極連接至一電容的正極，而所述電容的負(fù)極連接至所述第二并聯(lián)電路的另一端；所述逆變部分包括有源逆變器，所述有源逆變器包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂包括三個由第三絕緣柵雙極晶體管以及反向并聯(lián)在所述第三絕緣柵雙極晶體管兩端的第三二極管組成的第三并聯(lián)電路，所述三個第三并聯(lián)電路的輸入端連接至所述第一二極管的負(fù)極，所述下橋臂包括三個輸入端分別連接至所述三個上橋臂的第三并聯(lián)電路輸出端的可控硅晶體管，所述三個可控硅晶體管的輸出端與所述電容的負(fù)極相連接，所述有源逆變器的上橋臂和下橋臂的連接點(diǎn)連到所述內(nèi)饋電機(jī)的調(diào)節(jié)繞組上；所述控制模塊接收來自測速接近開關(guān)從所述內(nèi)饋電機(jī)處取得的信號以及從所述斬波部分輸出的電流信號，并根據(jù)雙閉環(huán)控制算法以及錯相控制法產(chǎn)生的錯相的斬波脈沖輸出至所述第一絕緣柵雙極晶體管的控制端，另外所述控制模塊還產(chǎn)生有源逆變脈沖輸出至所述第二絕緣柵雙極晶體管的控制端以及所述可控硅晶體管的控制端。
2. 按照權(quán)利要求l所述的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，其特征在于所述控制模塊包括數(shù)字信號處理控制器和可編程邏輯控制器以及人機(jī)界面；所述數(shù)字信號處理控制器接收從所述斬波部分輸出的電流信號和來自測速接近開關(guān)從所述內(nèi)饋電機(jī)處取得的信號，并根據(jù)雙閉環(huán)控制算法以及錯相控制法產(chǎn)生錯相的斬波脈沖輸出至所述第一絕緣柵雙極晶體管的控制端，同時(shí)產(chǎn)生有源逆變脈沖輸出至所述第二絕緣柵雙極晶體管的控制端以及所述可控硅晶體管的控制端；所述可編程控制器用于控制所述斬波部分的工藝控制和所述逆變部分的工藝控制，所述可編程控制器與所述數(shù)字信號處理器通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所述可編程控制器通過串行通信與所述人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送往所述人機(jī)界面進(jìn)行顯示，同時(shí)接收所述人機(jī)界面上的指令動作。
3. 按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，其特征在于所述斬波脈沖的相位差為90。。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種內(nèi)饋斬波串級調(diào)速裝置，包括由內(nèi)饋電機(jī)和串級調(diào)速裝置組成的主電路和控制模塊，所述串級調(diào)速裝置包括整流部分、斬波部分和逆變部分，整流部分為三相整流橋，斬波部分由兩個斬波模塊并聯(lián)而成，斬波模塊包括電感，電感的一端連接至第一二極管的正極和由第一絕緣柵雙極晶體管以及反向并聯(lián)在第二絕緣柵雙極晶體管兩端的第二二極管組成的第二并聯(lián)電路的一端；逆變部分為包括串聯(lián)上橋臂和下橋臂的有源逆變器，上橋臂包括由第三絕緣柵雙極晶體管和反向并聯(lián)在第三絕緣柵雙極晶體管兩端的第三二極管組成的第三并聯(lián)電路，下橋臂包括可控硅晶體管；控制模塊用于提供控制主電路的運(yùn)行的控制信號。本實(shí)用新型的裝置能快速提供過流及掉電故障保護(hù)。
文檔編號H02P27/06GK201388185SQ20092007383
公開日2010年1月20日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者張志卿, 江友華, 愚 邢 申請人:上海銳帕節(jié)能科技有限公司