一種適用於礦井風機的交流調速系統的製作方法
2023-12-03 00:16:46 2
專利名稱：一種適用於礦井風機的交流調速系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及礦井提升機風機變頻調速系統應用領域，尤其涉及一種適用於礦井風機的交流調速系統。
背景技術：
風機是煤礦生產中一種重要的旋轉設備。目前，應用於礦井提升機風機調節風量的方式主要有調節閥門開度、高壓變頻調速及串級調速等。通過調節閥門開度來調節風量會使得30%左右的能量消耗在調節閥門上，這是一種高耗能、效益差的調節方法。高壓變頻調速是近年來運用到礦井風機中的一種調速方式，該方式屬於定子側變頻技術，變頻器的容量較大，成本高；串級調速屬於轉子側變頻技術，變頻器的容量較小，節約成本。但是，傳統的串級調速存在功率因數低、諧波含量大等缺點。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種適用於礦井風機的交流調速系統，是一種基於矩陣變換器的礦井風機轉子側變頻調速系統。為達到上述目的，本發明提供一種適用於礦井風機的交流調速系統，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機、數字控制系統和A/D採樣模塊，繞線式異步電機包括三相定子和三相轉子，繞線式異步電機的三相定子直接與三相電網相連；交流勵磁電源輸入側與三相電網相連，輸出側與繞線異步電機的三相轉子相連，用以實現繞線式異步電機的轉子側變頻調速;A/D採樣模塊用以採集繞線式異步電機的電流、電壓和轉速信號；數字控制系統分別與交流勵磁電源和A/D採樣模塊連接，用以根據A/D採樣模塊採集的數據進行矢量運算，並發出觸發脈衝信號至交流勵磁電源，從而控制交流勵磁電源為繞線式異步電機轉子側提供頻率可變的電源，實現繞線式異步電機變頻調速。依照本發明較佳實施例所述的適用於礦井風機的交流調速系統，上述的交流勵磁電源採用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關，且每個雙向開關由兩個IGBT反並聯而成。本發明的有益效果為相較於傳統的基於定子側的高壓變頻調速系統而言，本發明採用基於轉子側的變頻調速系統沒有中間直流儲能環節和輸入變壓器，因此易於系統集成，功率密度高，系統成本低；並且，相較於傳統的串級調速而言，本發明的交流勵磁電源採用矩陣變換器，其能量可以雙向流動，輸入功率因數高，諧波含量小。因此，與現有技術相t匕，本發明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數高且諧波含量小的優點。
圖I為本發明一種適用於礦井風機的交流調速系統的拓撲結構圖；圖2為本發明實施例的交流勵磁電源的結構原理圖；圖3為本發明實施例的數字控制系統的原理框圖。具體實施例方式下面將結合附圖詳細講解本發明專利提供的一種適用於礦井風機的交流調速系統的結構和原理。請參閱圖1，一種適用於礦井風機的交流調速系統，包括交流勵磁電源I、繞線式異步電機2、數字控制系統3和A/D採樣模塊4，繞線式異步電機2包括三相定子和三相轉子，繞線式異步電機2的三相定子直接與三相電網5相連；交流勵磁電源I的輸入側與三相電網5相連，輸出側與繞線異步電機2的三相轉子相連，用以實現繞線式異步電機2的轉子側變頻調速;A/D採樣模塊4用以採集繞線式異步電機2的電流、電壓和轉速信號，其進一步包括輸入電壓檢測電路、輸出電流檢測電路。數字控制系統3分別與交流勵磁電源I和A/D採樣模塊4連接，用以根據A/D採樣模塊4採集的數據進行矢量運算，並發出觸發脈衝信號至交流勵磁電源4，從而控制交流勵磁電源4為繞線式異步電機2的轉子側提供頻率可變的電源，實現繞線式異步電機2變頻調速。請再參見圖2，交流勵磁電源I採用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關，且每個雙 向開關由兩個IGBT反並聯而成。9個雙向開關組成3X3陣列，陣列的一側三相輸入端通過三相濾波器與三相電網5相連，另一側的三相輸出端與繞線式異步電機2的三相轉子相連。如圖3所示，其為本發明實施例的數字控制系統的原理框圖。數字控制系統3包括由DSP、FPGA組成的控制系統和脈衝觸發電路。在本實施例中，為了減小DSP的運算負擔，本文設計的控制電路中DSP只負責電機控制算法的實現，並將計算出的各開關的作用時間經地址總線和數據總線發送給FPGA。而FPGA主要完成A/D採樣、數字I/O、編碼器信號的採集、D/A信號的輸出和矩陣變換器四步換流策略及脈衝觸發功能。其中，DSP採用TI公司高性能的TMS320F2812晶片，TMS320F2812是TI公司針對電機數字控制開發的數位訊號處理器，具有強大的運算能力，其最高運行速度可達150MIPS。本專利採用XILINX公司生產的SPARTAN3系列FPGA晶片XC3S50AN，該晶片具有以下特點邏輯資源豐富，具有5萬門邏輯單元，54k片內RAM，最多108個可編程IO 口 ；處理速度快，系統時鐘最高可達300MHz ;具有片內FLASH，不需要外部配置晶片，安全性能好；支持JTAG編程方式，開發方便。以下詳細說明本發明的工作原理首先，控制系統3通過繞線式異步電機2的等效電路推導出一系列磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉子磁鏈，其中氣隙磁鏈是連接定子和轉子的橋梁。然後，通過同步旋轉變換，可以將磁鏈方程等效為同步旋轉坐標系下類似於直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，從而實現了解耦控制，加快了系統的響應速度。最後經過同步旋轉反變換，產生三相交流電再通過交流勵磁電源I去控制繞線式異步電機2，就獲得了良好的調速性能。系統運行時，通過A/D採樣模塊4實時採集繞線式異步電機2的電流、電壓和轉速信號，並發送至數字控制系統3，數字控制系統3根據該些信號對繞線式異步電機2進行實時調速處理。該系統採用的矢量控制原理跟傳統的異步電機矢量控制類似，但是不同於傳統的異步電機矢量控制，傳統的異步電機矢量控制以轉子磁鏈作為定向磁鏈，而該系統由於通過轉子側實現變頻調速，所以其定向磁鏈是定子磁鏈。本發明的有益效果為相較於傳統的基於定子側的高壓變頻調速系統而言，本發明採用基於轉子側的變頻調速系統沒有中間直流儲能環節和輸入變壓器，因此易於系統集成，功率密度高，系統成本低；並且，相較於傳統的串級調速而言，本發明的交流勵磁電源採用矩陣變換器，其能量可以雙向流動，輸入功率因數高，諧波含量小。因此，與現有技術相t匕，本發明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數高且諧波含量小的優點。
以上所述，僅是本發明的較佳實施實例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍。
權利要求
1.一種適用於礦井風機的交流調速系統，其特徵在於，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機、數字控制系統和A/D採樣模塊，所述繞線式異步電機包括三相定子和三相轉子，所述繞線式異步電機的三相定子直接與三相電網相連；所述交流勵磁電源輸入側與三相電網相連，輸出側與所述繞線異步電機的三相轉子相連，用以實現所述繞線式異步電機的轉子側變頻調速；所述A/D採樣模塊用以採集所述繞線式異步電機的電流、電壓和轉速信號；所述數字控制系統分別與交流勵磁電源和A/D採樣模塊連接，用以根據A/D採樣模塊採集的數據進行矢量運算，並發出觸發脈衝信號至交流勵磁電源，從而控制交流勵磁電源為繞線式異步電機轉子側提供頻率可變的電源，實現繞線式異步電機變頻調速。
2.如權利要求I所述的適用於礦井風機的交流調速系統，其特徵在於所述交流勵磁電源採用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關，且每個雙向開關由兩個IGBT反並聯而成。
全文摘要
一種適用於礦井風機的交流調速系統，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機、數字控制系統和A/D採樣模塊，繞線式異步電機包括三相定子和三相轉子，繞線式異步電機的三相定子直接與三相電網相連；交流勵磁電源輸入側與三相電網相連，輸出側與繞線異步電機的三相轉子相連，用以實現繞線式異步電機的轉子側變頻調速；數字控制系統分別與交流勵磁電源和A/D採樣模塊連接，用以根據A/D採樣模塊採集的數據控制繞線式異步電機實現電機轉速閉環控制，並發出觸發脈衝信號；A/D採樣模塊用以採集繞線式異步電機的電流、電壓和轉速信號。本發明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數高且諧波含量小的優點。
文檔編號H02P25/02GK102751938SQ20121002890
公開日2012年10月24日 申請日期2012年2月9日 優先權日2012年2月9日
發明者吳瑋, 姜建國, 左東升, 徐亞軍, 戴鵬, 王晶鑫, 王貴峰, 羅* 申請人:上海交通大學