本發(fā)明涉及礦用變頻器技術(shù)領域，尤其涉及一種礦用10KV防爆變頻器及其控制電動機的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器已經(jīng)越來越廣泛的應用在很多領域，例如各種紡織、機械、照明、計算機控制等，同時也應用在煤礦井下各個電氣設備中。礦用變頻器以電網(wǎng)能量為驅(qū)動能源，用于驅(qū)動專用電動機，礦用變頻器在通、排、壓、提等礦井上的四大工況和煤礦井下釆、掘、運等設備機械系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，而由于現(xiàn)在的煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，勢必對變頻器有更高的要求，目前的變頻器橋臂直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)是較為成熟的兩電平結(jié)構(gòu),但由于受功率器件耐壓的限制,逆變器橋臂需多個功率器件直接串聯(lián),由于各器件的動態(tài)電阻、極電容各不相同,存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的均壓問題，而變頻器采用三電平結(jié)構(gòu)則諧波畸形仍較大,需輸出濾波器，不易實現(xiàn)冗余設計，對功率器件耐壓要求較高,輸出電壓等級受一定限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：目前的變頻器中動態(tài)電阻、極電容各不相同,存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的均壓問題，另外采用三電平結(jié)構(gòu)則諧波畸形仍較大,需輸出濾波器，不易實現(xiàn)冗余設計，對功率器件耐壓要求較高,輸出電壓等級受一定限制。

為解決上面的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種礦用10KV防爆變頻器，包括：變頻器，該變頻器包括：輸入變壓器模塊、功率單元模塊、主動控制模塊；所述的輸入變壓器模塊與功率單元模塊連接；主動控制模塊控制功率單元模塊；所述的功率單元模塊包括：3個相互并聯(lián)的功率逆變器,所述的功率逆變器并聯(lián)后共同的輸出端與電動機連接；所述的每個功率逆變器包括：5個相互串聯(lián)的單相變頻器單元。

上述進一步的有益效果：由于每個功率逆變器構(gòu)造相同，便于模塊化設計和制造，系統(tǒng)可靠性高，另外還由于這種電路可以使變頻器的輸出電壓波形非常接近正弦波，所以不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動的問題，可以使用普通的高壓異步電動機，且電動機在正常的調(diào)速范圍內(nèi)對電網(wǎng)諧波污染小，此外功率單元有足夠的濾波電容,能承受電壓較大波動，功率單元模塊化,容易實現(xiàn)冗余設計,保證個別功率單元故障時不影響整機工作。

進一步地，所述的單相變頻器單元包括：輸入相序模塊、濾波電容模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊、隔離驅(qū)動模塊；所述的輸入相序模塊、濾波電容模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊依次連接；絕緣柵雙極型晶體管模塊還與旁路開關(guān)連接；隔離驅(qū)動模塊控制絕緣柵雙極型晶體管模塊的開與斷。

上述進一步的有益效果：當單相變頻器單元出現(xiàn)故障時，通過旁路開關(guān)把壞的模塊旁路掉，不會影響整個變頻器的工作，其余的單相變頻器單元可不間斷供電，以減少生產(chǎn)損失。

進一步地，所述的絕緣柵雙極型晶體管模塊包括：4個晶體管單元，所述的4個晶體管單元呈H橋型連接。

進一步地，所述的每個晶體管單元包括：絕緣柵雙極型晶體管、體二極管、軟開關(guān)電容；所述的絕緣柵雙極型晶體管、體二極管、電容三者相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸出端接旁路開關(guān)，并聯(lián)后共同的輸入端分別接相序模塊輸入端和濾波電容模塊輸入端。

上述進一步的有益效果：利用軟開關(guān)電容技術(shù)將交流電動機啟動和加速過程中的沖擊電流進行減小，使得電動機傳動系統(tǒng)在低速時無級平穩(wěn)調(diào)速，減少電流沖擊，減小對電網(wǎng)的危害。

進一步地，所述的旁路開關(guān)一端連接在構(gòu)成H橋型一旁的兩個晶體管單元之間，旁路開關(guān)的另一端連接在構(gòu)成H橋型另一旁的兩個晶體管單元之間。

進一步地，所述的濾波電容模塊包括：共模信號濾波電容與差模信號濾波電容，所述的共模信號濾波電容與差模信號濾波電容相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸出端一端接絕緣柵雙極型晶體管模塊。

進一步地，所述的輸入相序模塊包括：多個三相不控二極管，所述的三相不控二極管相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸入端分別接濾波電容模塊的輸入端和絕緣柵雙極型晶體管模塊的輸入端。

本發(fā)明的有益效果：5串3并的結(jié)構(gòu)適合10kv電壓下的高壓變頻器設計，對電動機的速度調(diào)節(jié)靈活方便，精度髙，平穩(wěn)性好，減少對機械的沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩控制，同時還降低了裝置的成本，減少了設備的維護，延長了設備的使用壽命。

本發(fā)明還涉及一種礦用10KV防爆變頻器控制電動機的方法，該方法包括如下步驟：

S1，判斷當前是否滿足開機條件；

S2，當滿足開機的條件時，數(shù)字信號處理器輸出準備信號，并同時接收當?shù)鼗蛘哌h方傳遞的開機指令；

S3，根據(jù)接收到的開機指令，主動控制模塊開啟循環(huán)檢測運行模式對功率單元模塊進行矢量控制調(diào)節(jié)；

S4，主動控制模塊控制功率單元模塊輸出相應的PWM波形，從而控制電動機。

進一步地，所述S2中還包括：當數(shù)字信號處理器接收到停機指令或者運行過程中出現(xiàn)需要停機的情況的信號后，主動控制模塊控制電動機進行停機循環(huán)。

上述進一步的有益效果：控制方式相對簡單,因每一級結(jié)構(gòu)的相同性,便于對每一級進行PWM控制,然后進行波形重組，輸入諧波小,輸入功率因數(shù)高，輸出波形良好,諧波分量小,dy/dt小,電機轉(zhuǎn)矩脈動小,噪音低。

進一步地，所述S2中，當數(shù)字信號處理器接收到停機指令或者運行過程中出現(xiàn)需要停機的情況后，主動控制模塊開啟循環(huán)檢測運行模式對功率單元模塊先進行矢量控制降壓，再進行恒頻降壓。

本發(fā)明的有益效果：由于這種電路可以使變頻器的輸出電壓波形非常接近正弦波，所以不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動的問題，可以使用普通的高壓異步電動機，而且在正常的調(diào)速范圍內(nèi)對電網(wǎng)諧波污染小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種礦用10KV防爆變頻器的示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種礦用10KV防爆變頻器控制電動機的方法流程圖；

圖3為本發(fā)明的單相變頻器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的主動控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的主動控制模塊的程序控制流程圖；

圖6為本發(fā)明的每相功率逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1

如圖1所示，本發(fā)明的一種礦用10KV防爆變頻器，該變頻器包括：輸入變壓器模塊、功率單元模塊、主動控制模塊；所述的輸入變壓器模塊與功率單元模塊連接；主動控制模塊控制功率單元模塊；所述的功率單元模塊包括：3個相互并聯(lián)的功率逆變器,所述的功率逆變器并聯(lián)后共同的輸出端與電動機連接；所述的每個功率逆變器包括：5個相互串聯(lián)的單相變頻器單元。

采用這樣的方法因為每個功率逆變器構(gòu)造相同，便于模塊化設計和制造，系統(tǒng)可靠性高，另外還由于這種電路可以使變頻器的輸出電壓波形非常接近正弦波，所以不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動的問題，可以使用普通的高壓異步電動機，且電動機在正常的調(diào)速范圍內(nèi)對電網(wǎng)諧波污染小，此外功率單元有足夠的濾波電容,能承受電壓較大波動，功率單元模塊化,容易實現(xiàn)冗余設計,保證個別功率單元故障時不影響整機工作。

優(yōu)選地，單相變頻器單元包括：輸入相序模塊、濾波電容模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊、隔離驅(qū)動模塊；所述的輸入相序模塊、濾波電容模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊依次連接；絕緣柵雙極型晶體管模塊還與旁路開關(guān)連接；隔離驅(qū)動模塊控制絕緣柵雙極型晶體管模塊的開與斷。

另外，如圖6所示，每相功率逆變器是由五個串聯(lián)起來的單相變頻器單元，每一組就是由單相變頻器單元串聯(lián)而成的共同輸出端，按星形連接成三相輸出，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。電網(wǎng)輸入的10KV電壓經(jīng)過輸入隔離變壓器將三相進線的電源電壓轉(zhuǎn)換成十五個獨立的交流電源，為十五個單相變頻器單元供電，每個單相變頻器單元提供五分之一的相電壓。變頻器的額定輸入電壓10kV，則每個單相變頻器單元的額定電壓應為1154V變頻器的輸出相電壓為1154V，適合選擇相應電壓等級的功率器件和電容期間。每個單相變頻器單元的電壓等級和每相功率器件的串聯(lián)數(shù)量決定了變頻器的輸出電壓，單相變頻器單元的額定電流決定變頻器的輸出電流。

如圖6中的第一個V01單元，R、S、T接入三相火線的輸入端(在電機側(cè)一版表示U、V、W，在高壓側(cè)的變頻器領域一般用R.S.T表示，所以R.S.T成組出現(xiàn)時R表示三相火線的一相)，例如圖中的第一個模塊的R14、S2、T1為10kv火線三相輸入，其中D1、D2、D3、D16、D17、D18為三相整流單元，分別是6個整流二極管。C1和C13為Y電容是分別跨接在電力線兩線和地之間，一般是成對出現(xiàn)共模信號濾波電容。此處的R11和R17為分壓電阻。C10是整流后的差模信號濾波電容。Q3，Q4，Q9，Q10是IGBT。K1是旁路開關(guān)，其它的單元與V01單元串聯(lián)的，其單元的所有部件與V01單元完全相同。

如圖3所示，一個單相變頻器單元的結(jié)構(gòu)示意圖，其中R、S、T指的是電源的輸入相序，D1、D2、D3、D16、D17、D18為三相不控二極管整流。C1和C13是共模信號濾波電容，C10是差模信號濾波電容，Q3、Q4、Q9、Q10四個IGBT構(gòu)成H橋。C4、C5、C16、C17為軟開關(guān)電容，起到IGBT開通和關(guān)斷時的保護作用，可以抑制開通和關(guān)斷的dV/dt，取值為1n/2000V。通過DSP內(nèi)部程序產(chǎn)生PWM信號，通過隔離驅(qū)動模塊控制Q3、Q4、Q9、Q10四個IGBT的開通和關(guān)斷。K1是旁路開關(guān)，當該單元損壞時，該單元可通過K1旁路掉，而系統(tǒng)可以繼續(xù)工作不停機。

當單相變頻器單元出現(xiàn)故障時，通過旁路開關(guān)K1把壞的模塊旁路掉，不會影響整個變頻器的工作，其余的單相變頻器單元可不間斷供電，以減少生產(chǎn)損失。

另外，絕緣柵雙極型晶體管模塊包括：4個晶體管單元，所述的4個晶體管單元連接構(gòu)成H橋型。

優(yōu)選地，每個晶體管單元包括：絕緣柵雙極型晶體管、體二極管、軟開關(guān)電容；所述的絕緣柵雙極型晶體管、體二極管、電容三者相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸出端接旁路開關(guān)，并聯(lián)后共同的輸入端分別接相序模塊輸入端和濾波電容模塊輸入端。

對于上述利用軟開關(guān)電容技術(shù)將交流電動機啟動和加速過程中的沖擊電流進行減小，使得電動機傳動系統(tǒng)在低速時無級平穩(wěn)調(diào)速，減少電流沖擊，減小對電網(wǎng)的危害。

優(yōu)選地，旁路開關(guān)一端連接在構(gòu)成H橋型一旁的兩個晶體管單元之間，旁路開關(guān)的另一端連接在構(gòu)成H橋型另一旁的兩個晶體管單元之間。

優(yōu)選地，濾波電容模塊包括：共模信號濾波電容與差模信號濾波電容，所述的共模信號濾波電容與差模信號濾波電容相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸出端一端接絕緣柵雙極型晶體管模塊。

優(yōu)選地，輸入相序模塊包括：多個三相不控二極管，所述的三相不控二極管相互并聯(lián)，并聯(lián)后共同的輸入端分別接濾波電容模塊的輸入端和絕緣柵雙極型晶體管模塊的輸入端。

上述變頻器的應用減少了電流接觸器和調(diào)速電阻，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所提高，減少了散熱和噪聲，另外變頻器對電動機的速度調(diào)節(jié)靈活方便，精度髙，平穩(wěn)性好，減少對機械的沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩控制，同時還降低了裝置的成本，減少了設備的維護，延長了設備的使用壽命。

實施例2

如圖2所示，本發(fā)明還涉及一種利用礦用防爆變頻器的控制電動機方法，該方法包括如下步驟：

S1，判斷當前是否滿足開機條件；

S2，當滿足開機的條件時，數(shù)字信號處理器輸出準備信號，并同時接收當?shù)鼗蛘哌h方傳遞的開機指令；

S3，根據(jù)接收到的開機指令，主動控制模塊開啟循環(huán)檢測運行模式對功率單元模塊進行矢量控制調(diào)節(jié)；

S4，主動控制模塊控制功率單元模塊輸出相應的PWM波形，從而控制電動機。

優(yōu)選地，本方法還包括：當數(shù)字信號處理器接收到停機指令或者運行過程中出現(xiàn)需要停機的情況的信號后，主動控制模塊控制電動機進行停機循環(huán)。

采用上述的控制方式相對簡單,因每一級結(jié)構(gòu)的相同性,便于對每一級進行PWM控制,然后進行波形重組，輸入諧波小,輸入功率因數(shù)高，輸出波形良好,諧波分量小,dy/dt小,電機轉(zhuǎn)矩脈動小,噪音低。

優(yōu)選地，當數(shù)字信號處理器接收到停機指令或者運行過程中出現(xiàn)需要停機的情況后，主動控制模塊開啟循環(huán)檢測運行模式對功率單元模塊先進行矢量控制降壓，再進行恒頻降壓。

串聯(lián)單元數(shù)為L_x＝5,則各串聯(lián)單元采用同一調(diào)制波信號M(t)(如下圖的正弦波，頻率為ω_m),而串聯(lián)各單元的三角載波頻率為k_cω_m,實現(xiàn)移相的實質(zhì)就是將各三角載波的相位彼此錯開載波周期的1/L_x,即:Φ_Lc＝Φ_c+2πL/L_x,k_c/k_m＝5,幅度調(diào)制比m＝0.8。

由Lx個串聯(lián)單元組合而成的變流器,若采用同一調(diào)制波M(t)，各級聯(lián)單元的三角載波相位彼此錯開2π/L_x各級聯(lián)單元輸出波形的傅立葉級數(shù)展開式的差別僅僅在于載波的初始相位不同而第L個級聯(lián)單元三角載波的相位角為:Φ_c+2πL/L_x其輸出波形的雙重傅立葉級數(shù)表達式為

因此,由Lx個級聯(lián)單元輸出波形疊加得到的總輸出波形傅里葉級數(shù)為:

若m取值為Lx的整數(shù)倍時,可以得到下面兩個等式

若m取值為其他整數(shù)時,則會得到下面兩個等式

所以，由Lx個級聯(lián)單元疊加后總的輸出波形的傅立葉級數(shù)表達

如圖4所示的，本發(fā)明變頻器中的主控制模塊，主控制模塊的主控芯片采用美國TI公司TMS320F28335高性能的微處理器，利用DSP完成控制算法，產(chǎn)生和發(fā)送單元控制信號，驅(qū)動電路主控芯片采用CPLD復雜可編程邏輯器件，利用CPLD產(chǎn)生多路SPWM控制脈沖去驅(qū)動IGBT的工作。

它由DSP(型號TMS320F28335)作為算法實現(xiàn)部分，主要是電機驅(qū)動的矢量控制算法和電機參數(shù)識別算法。DSP通過ARM單片機專門處理繼電器控制和傳感器信號檢測保護部分。

DSP用于完成控制算法，并產(chǎn)生和發(fā)送單元控制信號。DSP內(nèi)部實現(xiàn)驅(qū)動IGBT的邏輯信號要求，邏輯信號要求通過CPLD解析驅(qū)動單元模塊的實際信號。利用CPLD產(chǎn)生多路SPWM控制脈沖去驅(qū)動IGBT的工作，其中CPLD為復雜可編程邏輯器件，DSP為數(shù)字信號處理。

通用的模擬量輸入和輸出信號直接進入DSP芯片參與計算。同時DSP通過串口通信于服務器和上位機面板交互。同時DSP控制ABB系列的PLC，PLC通過外部IO接口對系統(tǒng)供電點進行控制

如圖5所示的，本發(fā)明變頻器中的主控制模塊應用的主控制程序，首先通上電進入啟動狀態(tài)，DSP通過程序計算，控制pLC進行外設的IO配置，然后進入服務器和上位機面板通信的環(huán)節(jié)，DSP與服務器和面板進行信號通信，并開始測試電路是否處于正常狀態(tài)，即測試系統(tǒng)是否有過壓和過流的故障存在，如果系統(tǒng)正常則進入上位機發(fā)送電機啟動命令狀態(tài)，如果不處于故障則返回服務器和通信階段。

系統(tǒng)給電機啟動命令后進入運行模式分析，按照目標設定的速度進行FOC控制電機運行，實時的進行通信和電流采樣，讀取電機速度，并進行故障保護的實時監(jiān)測。如果有故障則報警并用VF方式變頻降壓運行，再恒頻降壓運行直到停止。

如果沒有故障則實時監(jiān)測系統(tǒng)是否有信號異常，如果有有異常則報警進入停機指令狀態(tài)，如果有沒有異常則接觸報警。如果沒有停機指令則電機繼續(xù)運行。

主程序由三個循環(huán)構(gòu)成：首先是開機前的循環(huán)，主要判斷開機前外圍準備是否準備好了，如果滿足開機條件的話,DSP數(shù)字信號處理器就輸出準備就緒信號，等待接收當?shù)鼗蛘吲c遠方開機指令；當收到了外部的開機指令后程序就進入到調(diào)節(jié)運行循環(huán)，檢測運行模式并根據(jù)相應的模式進行FOC調(diào)節(jié)，輸出相應的PWM波形；當DSP接收到停機指令或者運行過程中出現(xiàn)需要停機的情況，就進入到停機循環(huán)，先進行FOC降壓處理，降到10HZ后進行恒頻降壓。其中，F(xiàn)OC(field-oriented control)為磁場導向控制，又稱為矢量控制(vector control)，是一種利用變頻器(VFD)控制三相交流馬達的技術(shù)，利用調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制馬達的輸出。其特性是可以個別控制馬達的的磁場及轉(zhuǎn)矩，類似他激式直流馬達的特性。由于處理時會將三相輸出電流及電壓以矢量來表示，因此稱為矢量控制。

軟開關(guān)：使開關(guān)器件被施加驅(qū)動信號而開通過程中的端電壓為零，這種開通稱為零電壓開通；使開關(guān)器件撤除其驅(qū)動信號后的關(guān)斷過程中承載的電流為零，這種關(guān)斷稱為零電流關(guān)斷。

開關(guān)器件在開通過程中端電壓很小，在關(guān)斷過程中其電流也很小，這種開關(guān)過程的功率損耗不大，稱為軟開關(guān)。即零電壓開通和零電流關(guān)斷是最理想的軟開關(guān)，所謂軟開關(guān)就是功率器件在零電壓條件下導通(或關(guān)斷)，在零電流條件下關(guān)斷(或?qū)?。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)的功率器件在零電壓、零電流條件下工作，功率器件開關(guān)損耗大大減小。

與此同時，du/dt和di/dt大為下降，提高了變換器的可靠性，由于軟開關(guān)開關(guān)損耗很小，與硬開關(guān)相比，它可以工作于較高的工作頻率，因此減小變換器的體積和重量，同時提高變換器的變換效率。

在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結(jié)合和組合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。