专利名称：高频斩波及逆变串极调速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子变换技术领域内的一种交流绕线异步电动机的串极调 速装置，特指一种以不控整流单元、直流斩波、全控正弦逆变单元相串联的结构，斩波输出 电压采用动态控制、转差功率直接回馈电网或者电机反馈绕组。
背景技术：
串级调速作为异步电动机普遍使用的调速方法之一，长期以来人们进行了大量研 究与实践。传统串级调速装置由二极管整流器和可控硅逆变器构成，如图1所示，为传统可 控硅串极调速装置示意图。其中1为二极管整流器，2为平波电抗器，3为可控硅全控逆变 器，4为逆变变压器。装置将转子三相交流整流成直流并平波后，由有源逆变器提供串入的 直流反电势同时，将转子转差功率再逆变为工频交流，通过逆变变压器回馈至电网吸收。等 效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现的。由于传统串级调速 是通过调整逆变器的逆变角(移相触发)来实现对等效反电势的调节，这种移相触发的方 法存在着功率因数低及可靠性差的缺点。显然，这一技术路线已不能满足今后的发展要求。公知的直流斩波串极调速装置一般由二极管整流桥、直流斩波单元及可控硅逆变 器组成，如图2所示，为直流斩波串极调速装置示意图。其中1为二极管整流桥，2为直流斩 波单元，3可控硅逆变器，4逆变变压器。这种串级调速装置把逆变角固定下来并设在最小 值，产生一恒定的附加直流反电势，等效电势大小的调节由斩波器来完成。通过调节斩波器 导通时间与斩波周期的比率(即占空比或PWM调制脉宽)，来改变串入转子回路的等效电 势的大小，从而改变转子电流和转差率，达到调节电机转速的目的。同时逆变变压器将转差 功率吸收并回馈至电网。这种方法在输入功率因数指标方面要优于传统可控硅串极调速装 置，但经常发生逆变失败的问题，可靠性不高。
发明内容为了克服传统可控硅串极调速装置及现有的直流斩波串极调速装置在功率因数 和可靠性方面的不足，本实用新型的发明目的在于提供一种高频斩波及逆变串极调速装 置，以实现不仅能提高电机功率因数，而且能充分提高调速装置可靠性的目的。本实用新型含有逆变变压器、串极调速装置功率组件及全数字控制器。串极调速控制装置功率组件由不控整流单元、IGBT高频斩波单元及IGBT逆变单 元串联组成。不控整流单元由二极管整流桥组成，为三相全波整流，将转子回路三相交流变为 直流，以便对转子回路施加串直流电势控制。斩波单元由功率开关器件和直流输出电感及直流滤波电容组成，采用了可自关断 的大功率电子器件IGBT作为斩波器件，转子回路附加电势调节由IGBT斩波开关来完成。斩 波开关以恒频调宽方式工作，即工作频率一定，而开关导通时间可调。这样，通过调节斩波开关导通时间与斩波周期的比率(即占空比或PWM调制脉宽)，便改变了串入转子回路的等 效电势的大小，从而改变转子电流，达到调节电机转速的目的。由于采用了可自关断的大功 率电子器件IGBT作为斩波器件，使得斩波频率进一步提高，直流电流更为平稳，系统更为 紧凑，体积更小。逆变单元为三相全桥有源逆变器，由可自关断的大功率电子器件IGBT构建。装置 工作于调速状态时，将经斩波控制后的转差功率逆变为三相工频交流送至内反馈绕组或逆 变变压器。克服了传统的移相触发对触发脉冲和换相要求严格、脉冲移动范围大、抗干扰能 力差、易颠覆、功率因数低等缺点。同步信号取自内反馈绕组或逆变变压器的电压信号，具 有抗干扰、多重数字锁相、自动配相等功能。全数字控制器包括转速检测环节、转子电压电流检测环节、、脉宽调制信号的驱动 和保护电路、数字信号微处理器及人机接口和通讯单元。所述转速检测环节由转速传感器 及信号处理电路组成；所述电压电流检测环节由直流环节电压检测部分及输出直流侧电流 检测部分组成，直流环节电压检测部分，由电压传感器或电压差分电路输入端并接在直流 环节，检测直流电压，输出直流侧电流检测部分，由电流传感器或分流器串接在输出端，检 测输出直流电流；所述数字信号微处理器，其模拟输入为从电压电流检测环节得到的检测 电压电流信号及从外部转速传感器检测的转速信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然 后输入到数字信号微处理器的模数转换接口，数字信号微处理器、包括脉宽调制输出口和 作为辅助控制的2条I/O 口 ；所述脉宽调制信号的驱动和保护电路，输入为所述脉宽调制输 出口的脉宽调制脉冲信号及辅助控制的2条1/0，将主回路中的I/O信号，经过输入I/O电 路送入数字信号处理器的I/O接口，负责接收设备的故障信号，实现故障保护功能；输出的 脉宽调制功率驱动信号连接斩波单元和逆变单元对应的功率开关器件；所述人机接口和通 信单元，通过CAN通信接口或485通信接口，接收PC机发出的运行、暂停、停止等信号，完成 液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作、记录和监控功能。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、调速范围宽，无级，平滑。2、具有良好的硬机械特性。3、串级调速是在电机转子侧施加控制，因而其控制电压低，仅几百伏至一千多 伏，变流装置控制容量小，对于风机、泵类负载，总控制容量仅为电机额定容量的14. 815%。 串级调速装置自身功耗小，比变频调速低2至4百分点，因而效率最高。因变流容量小，变 流发生在转子一侧，因而谐波分量小。因变流容量小，变流电压低，装置可靠性高。调速系 统简单，尺寸小，占用场地少。4、由于采用最新斩波技术，使其功率因数、调速范围、调速精度等指标明显提高。5、由于串级调速使用绕线式电机，能够有效控制电机起动电流。内反馈式高频斩 波串级调速系统，省去了逆变变压器及相关电气设备，使得系统更为简单。6、本实用新型在工作原理上可实现任意时刻掉电安全停机，避免了晶闸管相控逆 变装置逆变失败后损坏晶闸管的缺点。
图1为传统可控硅串级调速装置电气结构示意图；[0020]图2为现有技术中直流斩波串极调速装置电气结构示意图；图3为本实用新型的主回路示意图；图4为本实用新型电路逻辑原理框图。
具体实施方式
如图3所示，其中1为不控整流单元，2为斩波单元，3为逆变单元，4为逆变变压 器，构成串极调速装置功率组件。不控整流单元1、IGBT斩波单元2、IGBT逆变单元3串联， 转子三相电压经不控整流单元1整流后变为直流，经斩波单元2处理后到逆变单元3输出 交流电源，经逆变变压器4或电机的内反馈绕组回馈到电网。根据电机转子电压、电流等级不同，不控整流单元1可采用相应等级的二极管，直 流斩波单元2和逆变单元3可采用相应等级的功率半导体开关器件，如IGBT (绝缘栅极双 极性晶体管)，IPM(智能功率模块)等，可实现不同电压、电流等级的串极调速装置。如图4所示，本实用新型由逆变变压器4、串极调速装置功率组件5 (由不控整 流单元1、斩波单元2、逆变单元3串联而成)、全数字控制器11组成，其中，全数字控制 器包括转速检测环节、转子电压电流检测环节、数字信号微处理器、、脉宽调制信号的驱动 和保护电路、及人机接口和通讯单元。以高性能数字信号微处理器(DSP)9如TI公司的 TMS320LF2407A( —种高性能数字信号处理器)为核心，在其16路PWM(脉宽调制信号)输 出口中选取7路PWM (脉宽调制信号)信号，经脉宽调制信号的驱动和保护电路8的驱动电 路驱动斩波单元的1个功率半导体开关和逆变单元的6个功率半导体开关。转速检测环节 6由转速传感器及信号处理电路构成，用于检测电机转速。转子电压电流检测环节7的转子 电压检测环节由电压传感器或电压差分电路构成，用于检测母线电压和输出电压；电流检 测环节由分流器或电流传感器构成，用于检测输出电流。脉宽调制信号的驱动和保护电路8 的模拟输入接口电路完成信号调理和隔离的功能，将转速检测环节检测到的转速信号及电 压电流检测环节检测到的电压、电流信号进行变换后输入到DSP (数字信号微处理器9)的 模数转换口。软件实时计算出上述转速信号与设定值的偏差，预测并发出实时的PWM(脉宽 调制信号)控制脉冲，以此来动态控制斩波电压、电流及逆变电流。人机接口和通讯单元10 通过CAN通信接口或485通信接口完成液晶屏显示以及与PC机的通信和监控功能。全数 字控制器11的开关量输入输出单元完成系统运行状态的监控和系统故障保护功能。
权利要求一种高频斩波及逆变串极调速装置，其特征在于含有逆变变压器(4)、串极调速装置功率组件(5)及全数字控制器(11)，串极调速装置功率组件(5)由不控整流单元(1)、斩波单元(2)、逆变单元(3)分级串联组成。
2.根据权利要求1所述的高频斩波及逆变串极调速装置，其特征在于所述不控整流 单元(1)由二极管整流桥组成。
3.根据权利要求1所述的高频斩波及逆变串极调速装置，其特征在于所述斩波单元 (2)由功率开关器件和直流输出电感及直流滤波电容组成。
4.根据权利要求1所述的高频斩波及逆变串极调速装置，其特征在于所述逆变单元 单元(3)为三相全桥有源逆变器，由可自关断的功率开关器件组成。
5.根据权利要求1所述的高频斩波及逆变串极调速装置，其特征在于全数字控制器 (11)包括转速检测环节(6)、转子电压电流检测环节(7)、脉宽调制信号的驱动和保护电路 (8)、数字信号微处理器(9)及人机接口和通讯单元(10)，所述转速检测环节(6)由转速传感器及信号处理电路组成；所述转子电压电流检测环节(7)由直流环节电压检测部分及输出直流侧电流检测部 分组成；直流环节电压检测部分，由电压传感器或电压差分电路输入端并接在直流环节，检 测直流电压；输出直流侧电流检测部分，由电流传感器或分流器串接在输出端，检测输出直 流电流，所述脉宽调制信号的驱动和保护电路(8)，输入为所述脉宽调制输出口的脉宽调制脉 冲信号及辅助控制的2条1/0，将主回路中的I/O信号，经过输入I/O电路送入数字信号处 理器的I/O接口，负责接收设备的故障信号，实现故障保护功能，输出的脉宽调制功率驱动 信号连接斩波单元和逆变单元对应的功率开关器件，所述数字信号微处理器(9)，其模拟输入为从电压电流检测环节得到的检测电压电流 信号及从外部转速传感器检测的转速信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后输入到 数字信号微处理器的模数转换接口，数字信号微处理器、包括脉宽调制输出口和作为辅助 控制的2条I/O 口，所述人机接口和通讯单元(10)，通过CAN通信接口或485通信接口，接收PC机发出的 运行、暂停、停止等信号，完成液晶屏的显示及与PC机的通信，实现远程操作、记录和监控 功能。
专利摘要一种高频斩波及逆变串极调速装置，用于交流绕线式异步电动机的调速。含有逆变变压器、串极调速装置功率组件及全数字控制器。串极调速装置功率组件由不控整流单元、斩波单元、逆变单元串联组成；不控整流单元由二极管整流桥构成，斩波单元由功率开关器件和直流输出电感组成；逆变单元由功率开关器件组成；全数字控制器以高性能数字信号微处理器为核心生成脉宽调制信号控制信号，对电机转速及转子直流输出电压、电流进行动态控制。本实用新型避免了传统串极调速装置在功率因数和可靠性方面的缺陷，可高效利用电能，实现模块化组合、转差功率回馈电网的功能和安全掉电停机功能，通用性强，网侧功率因数高、调速范围宽、调速精度高、响应速度快。
文档编号H02P27/06GK201674458SQ20102019371
公开日2010年12月15日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者刘士杰, 熊士成, 陈畅 申请人:襄樊德普电气有限公司;襄樊成林机电有限公司