礦用機車直流轉交流逆變器及轉矩控制系統的製作方法
2023-06-05 05:13:01
礦用機車直流轉交流逆變器及轉矩控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦用機車直流轉交流逆變器及轉矩控制系統，涉及通過磁場方向控制來控制電機的裝置或系統【技術領域】。逆變器的直流電源的正負極之間並聯有三條支路，第一條為串聯後的電阻R1和電阻R2，第二條為串聯後的啟動變阻器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、直流電壓監測模塊、泵升電壓檢測模塊、微處理器模塊、三相監測電路、低通濾波以及IGBT過熱監測模塊。所述系統啟動時間較短，起動轉矩較大，起動電流較小，逆變器製造成本較低。
【專利說明】礦用機車直流轉交流逆變器及轉矩控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及通過磁場方向控制來控制電機的裝置或系統【技術領域】，尤其涉及一種礦用機車直流轉交流逆變器及轉矩控制系統。
【背景技術】
[0002]起動性能幾乎是衡量所有變頻調速系統最重要的指標之一，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儘量小，而且恆轉矩起動，恆功率運行。14噸和18噸礦用直交傳動系統電機起動時往往輸出轉矩不足卻經常出現較大的衝擊電流，嚴重時甚至可能造成逆變器中開關器件的損壞。但是，在試驗過程中發現，對於37.5kW、IOOkW的採用直接轉矩控制策略的礦用機車兩電平變頻調速系統中，在電機低頻起動時常常出現較大的衝擊電流。在37.5kW變頻器-電機系統中，這種過大的電流衝擊最高可能達到165A，而空載穩態時的電流峰值僅為32A，系統滿負荷時的峰值電流也只有120A。過大的電流衝擊容易損壞電機絕緣，危害變頻器開關器件；其次，儘管起動電流很大，但輸出機械轉矩並不大。
[0003]為了避免過大的衝擊電流，逆變器製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，往往大大增加製造成本。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態差不多，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，多數採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時就受到現有器件電流等級的限制。為了抑制起動過電流，可以採用軟啟動方式，但是起動轉矩小，啟動時間長。多數採用的是高電流裕量的電力電子器件，大大增加了製造成本。
【發明內容】
[0004]本發明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及轉矩控制系統，所述系統啟動時間較短，起動轉矩較大，起動電流較小，逆變器製造成本較低。
[0005]為解決上述技術問題，本發明所採取的技術方案是:一種礦用機車直流轉交流逆變器，其特徵在於:直流電源的正負極之間並聯有三條支路，第一條為串聯後的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯後的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位於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，用於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，位於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，用於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，位於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，用於檢測輸入電流；直流電壓監測模塊，位於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，用於實時監測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經IGBT變換模塊變換後的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經三相監測電路和低通濾波後輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監測模塊的輸出端經故障信號處理模塊處理後輸入給微處理器模塊。
[0006]進一步優選的技術方案在於:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板。
[0007]進一步優選的技術方案在於:所述電阻Rl和電阻R2的兩端並聯有濾波電容，IGBT管的漏極和源極之間設有續流二極體。
[0008]本發明還公開了一種礦用機車轉矩控制系統，其特徵在於包括:速度控制器，用於根據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範圍內，使磁通的軌跡接近圓形，根據接收的磁通優化量進行計算，輸出一個磁通範圍給轉矩控制模塊進行計算；轉矩參考控制器，用於實現對轉矩的直接控制，或通過正反調節器，在調節轉矩的同時，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；逆變器，用於根據來自最優脈衝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。
[0009]採用上述技術方案所產生的有益效果在於:所述系統通過易於測量的定子電壓、電流和轉速等，藉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，逆變器製造成本較低的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0011]圖1是本發明中逆變器的原理框圖；
[0012]圖2是本發明中轉矩控制系統的原理框圖；
[0013]圖3是轉矩調節器的原理框圖；
[0014]圖4是空間電壓矢量輸出等效電路原理圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明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發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0016]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於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發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0017]實施例一
[0018]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並聯有三條支路，第一條為串聯後的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯後的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位於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，用於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，位於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，用於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，位於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，用於檢測輸入電流；直流電壓監測模塊，位於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，用於實時監測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經IGBT變換模塊變換後的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經三相監測電路和低通濾波後輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監測模塊的輸出端經故障信號處理模塊處理後輸入給微處理器模塊。
[0019]進一步優選的技術方案在於:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板，但是微處理器模塊並不局限於上述模塊，本領域普通的技術人員可以根據需要對其進行選型。本領域技術人員還能夠得出，所述電阻Rl和電阻R2的兩端並聯有濾波電容，用於濾波，IGBT管的漏極和源極之間設有續流二極體，防止IGBT管反向擊穿。
[0020]實施例二
[0021]如圖2所示，本發明還公開了一種礦用機車轉矩控制系統，其特徵在於包括:速度控制器，用於根據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範圍內，使磁通的軌跡接近圓形，根據接收的磁通優化量進行計算，輸出一個磁通範圍給轉矩控制模塊進行計算；轉矩參考控制器，用於實現對轉矩的直接控制，或通過正反調節器，在調節轉矩的同時，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；逆變器，用於根據來自最優脈衝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。
[0022]所述系統的原理是:通過易於測量的定子電壓、電流和轉速等，藉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，轉矩調節必須具備兩個功能:一個功能是轉矩調節器直接調節轉矩，另外一個功能是用PN調節器(正反轉調節器)，在調節轉矩的同時，控制定子磁鏈的旋轉方向，以加強轉矩的調節。
[0023]轉矩調節器ATR的框圖工作原理如圖3所示，並說明如下:
[0024]I)實際轉矩值 Tf 當 Tf < Tg 時，且(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，由於實際轉矩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。於是，Tf與Tg之差被控制在± ετ範圍內，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。
[0025]實際轉矩值為Tf，控制給定值是Tg
[0026]2)當轉矩給定值突然變化較大時，會出現以下情況:當Tf〈Tg，且(Tf-Tg)< -ε PN,(因而肯定Tg。
[0027]以機子磁鏈屺和^為狀態變量的感應電機的狀態方程:
【權利要求】
1.一種礦用機車直流轉交流逆變器，其特徵在於:直流電源的正負極之間並聯有三條支路，第一條為串聯後的電阻Rl和電阻R2，第二條為串聯後的啟動變阻器RS和IGBT管T7，第三條為IGBT變換模塊；過壓保護模塊位於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，用於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，位於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，用於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，位於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，用於檢測輸入電流；直流電壓監測模塊，位於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，用於實時監測電源線兩端的電壓；泵升電壓檢測模塊的輸出端經驅動電路與IGBT管T7的柵極連接；微處理器模塊的PWM輸出端依次經隔離電路和驅動電路與IGBT變換模塊連接；經IGBT變換模塊變換後的電源分為兩路，第一路輸出給負載，第二路經三相監測電路和低通濾波後輸入給微處理器模塊；IGBT過熱監測模塊的輸出端經故障信號處理模塊處理後輸入給微處理器模塊。
2.根據權利要求1所述的直交供電的礦用機車電傳動控制裝置，其特徵在於:所述微處理器模塊使用TES320LF2407A應用板。
3.根據權利要求1或2所述的直交供電的礦用機車電傳動控制裝置，其特徵在於:所述電阻Rl和電阻R2的兩端並聯有濾波電容，IGBT管的漏極和源極之間設有續流二極體。
4.一種礦用機車轉矩控制系統，其特徵在於包括:速度控制器，用於根據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範圍內，使磁通的軌跡接近圓形，根據接收的磁通優化量進行計算，輸出一個磁通範圍給轉矩控制模塊進行計算；轉矩參考控制器，用於實現對轉矩的直接控制，或通過正反調節器，在調節轉矩的同時，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；逆變器，用於根據來自最優脈衝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。
【文檔編號】H02P21/14GK104022712SQ201410276081
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】高鋒陽, 陶彩霞, 路顏 申請人:蘭州交通大學