專利名稱：一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井提升機(jī)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中一種重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備。目前，應(yīng)用于礦井提升機(jī)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式主要有調(diào)節(jié)閥門開度、高壓變頻調(diào)速及串級調(diào)速等。通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量會使得30%左右的能量消耗在調(diào)節(jié)閥門上，這是一種高耗能、效益差的調(diào)節(jié)方法。高壓變頻調(diào)速是近年來運(yùn)用到礦井風(fēng)機(jī)中的一種調(diào)速方式，該方式屬于定子側(cè)變頻技術(shù)，變頻器的容量較大，成本高；串級調(diào)速屬于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻技術(shù)，變頻器的容量較小，節(jié)約成本。但是，傳統(tǒng)的串級調(diào)速存在功率因數(shù)低、諧波含量大等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，是一種基于矩陣變換器的礦井風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)和A/D采樣模塊，繞線式異步電機(jī)包括三相定子和三相轉(zhuǎn)子，繞線式異步電機(jī)的三相定子直接與三相電網(wǎng)相連；交流勵磁電源輸入側(cè)與三相電網(wǎng)相連，輸出側(cè)與繞線異步電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子相連，用以實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速;A/D采樣模塊用以采集繞線式異步電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與交流勵磁電源和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量運(yùn)算，并發(fā)出觸發(fā)脈沖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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供頻率可變的電源，實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)變頻調(diào)速。依照本發(fā)明較佳實(shí)施例所述的適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，上述的交流勵磁電源采用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關(guān)，且每個雙向開關(guān)由兩個IGBT反并聯(lián)而成。本發(fā)明的有益效果為相較于傳統(tǒng)的基于定子側(cè)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，本發(fā)明采用基于轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻調(diào)速系統(tǒng)沒有中間直流儲能環(huán)節(jié)和輸入變壓器，因此易于系統(tǒng)集成，功率密度高，系統(tǒng)成本低；并且，相較于傳統(tǒng)的串級調(diào)速而言，本發(fā)明的交流勵磁電源采用矩陣變換器，其能量可以雙向流動，輸入功率因數(shù)高，諧波含量小。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相t匕，本發(fā)明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數(shù)高且諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)。
圖I為本發(fā)明一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的交流勵磁電源的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字控制系統(tǒng)的原理框圖。具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖詳細(xì)講解本發(fā)明專利提供的一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。請參閱圖1，一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，包括交流勵磁電源I、繞線式異步電機(jī)2、數(shù)字控制系統(tǒng)3和A/D采樣模塊4，繞線式異步電機(jī)2包括三相定子和三相轉(zhuǎn)子，繞線式異步電機(jī)2的三相定子直接與三相電網(wǎng)5相連；交流勵磁電源I的輸入側(cè)與三相電網(wǎng)5相連，輸出側(cè)與繞線異步電機(jī)2的三相轉(zhuǎn)子相連，用以實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)2的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速;A/D采樣模塊4用以采集繞線式異步電機(jī)2的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號，其進(jìn)一步包括輸入電壓檢測電路、輸出電流檢測電路。數(shù)字控制系統(tǒng)3分別與交流勵磁電源I和A/D采樣模塊4連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊4采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量運(yùn)算，并發(fā)出觸發(fā)脈沖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(jī)2的轉(zhuǎn)子側(cè)提供頻率可變的電源，實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)2變頻調(diào)速。請?jiān)賲⒁妶D2，交流勵磁電源I采用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關(guān)，且每個雙 向開關(guān)由兩個IGBT反并聯(lián)而成。9個雙向開關(guān)組成3X3陣列，陣列的一側(cè)三相輸入端通過三相濾波器與三相電網(wǎng)5相連，另一側(cè)的三相輸出端與繞線式異步電機(jī)2的三相轉(zhuǎn)子相連。如圖3所示，其為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字控制系統(tǒng)的原理框圖。數(shù)字控制系統(tǒng)3包括由DSP、FPGA組成的控制系統(tǒng)和脈沖觸發(fā)電路。在本實(shí)施例中，為了減小DSP的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，本文設(shè)計(jì)的控制電路中DSP只負(fù)責(zé)電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)，并將計(jì)算出的各開關(guān)的作用時(shí)間經(jīng)地址總線和數(shù)據(jù)總線發(fā)送給FPGA。而FPGA主要完成A/D采樣、數(shù)字I/O、編碼器信號的采集、D/A信號的輸出和矩陣變換器四步換流策略及脈沖觸發(fā)功能。其中，DSP采用TI公司高性能的TMS320F2812芯片，TMS320F2812是TI公司針對電機(jī)數(shù)字控制開發(fā)的數(shù)字信號處理器，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，其最高運(yùn)行速度可達(dá)150MIPS。本專利采用XILINX公司生產(chǎn)的SPARTAN3系列FPGA芯片XC3S50AN，該芯片具有以下特點(diǎn)邏輯資源豐富，具有5萬門邏輯單元，54k片內(nèi)RAM，最多108個可編程IO 口 ；處理速度快，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)300MHz ;具有片內(nèi)FLASH，不需要外部配置芯片，安全性能好；支持JTAG編程方式，開發(fā)方便。以下詳細(xì)說明本發(fā)明的工作原理首先，控制系統(tǒng)3通過繞線式異步電機(jī)2的等效電路推導(dǎo)出一系列磁鏈方程，包括定子磁鏈，氣隙磁鏈，轉(zhuǎn)子磁鏈，其中氣隙磁鏈?zhǔn)沁B接定子和轉(zhuǎn)子的橋梁。然后，通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以將磁鏈方程等效為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下類似于直流機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場電流分量，從而實(shí)現(xiàn)了解耦控制，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最后經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)反變換，產(chǎn)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(jī)2，就獲得了良好的調(diào)速性能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過A/D采樣模塊4實(shí)時(shí)采集繞線式異步電機(jī)2的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號，并發(fā)送至數(shù)字控制系統(tǒng)3，數(shù)字控制系統(tǒng)3根據(jù)該些信號對繞線式異步電機(jī)2進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速處理。該系統(tǒng)采用的矢量控制原理跟傳統(tǒng)的異步電機(jī)矢量控制類似，但是不同于傳統(tǒng)的異步電機(jī)矢量控制，傳統(tǒng)的異步電機(jī)矢量控制以轉(zhuǎn)子磁鏈作為定向磁鏈，而該系統(tǒng)由于通過轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，所以其定向磁鏈?zhǔn)嵌ㄗ哟沛?。本發(fā)明的有益效果為相較于傳統(tǒng)的基于定子側(cè)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，本發(fā)明采用基于轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻調(diào)速系統(tǒng)沒有中間直流儲能環(huán)節(jié)和輸入變壓器，因此易于系統(tǒng)集成，功率密度高，系統(tǒng)成本低；并且，相較于傳統(tǒng)的串級調(diào)速而言，本發(fā)明的交流勵磁電源采用矩陣變換器，其能量可以雙向流動，輸入功率因數(shù)高，諧波含量小。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相t匕，本發(fā)明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數(shù)高且諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施實(shí)例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施實(shí)例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)和A/D采樣模塊，所述繞線式異步電機(jī)包括三相定子和三相轉(zhuǎn)子，所述繞線式異步電機(jī)的三相定子直接與三相電網(wǎng)相連；所述交流勵磁電源輸入側(cè)與三相電網(wǎng)相連，輸出側(cè)與所述繞線異步電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子相連，用以實(shí)現(xiàn)所述繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速；所述A/D采樣模塊用以采集所述繞線式異步電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號；所述數(shù)字控制系統(tǒng)分別與交流勵磁電源和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量運(yùn)算，并發(fā)出觸發(fā)脈沖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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供頻率可變的電源，實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)變頻調(diào)速。
2.如權(quán)利要求I所述的適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，其特征在于所述交流勵磁電源采用矩陣式變換器，其包括9個雙向開關(guān)，且每個雙向開關(guān)由兩個IGBT反并聯(lián)而成。
全文摘要
一種適用于礦井風(fēng)機(jī)的交流調(diào)速系統(tǒng)，包括交流勵磁電源、繞線式異步電機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)和A/D采樣模塊，繞線式異步電機(jī)包括三相定子和三相轉(zhuǎn)子，繞線式異步電機(jī)的三相定子直接與三相電網(wǎng)相連；交流勵磁電源輸入側(cè)與三相電網(wǎng)相連，輸出側(cè)與繞線異步電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子相連，用以實(shí)現(xiàn)繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速；數(shù)字控制系統(tǒng)分別與交流勵磁電源和A/D采樣模塊連接，用以根據(jù)A/D采樣模塊采集的數(shù)據(jù)控制繞線式異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，并發(fā)出觸發(fā)脈沖信號；A/D采樣模塊用以采集繞線式異步電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速信號。本發(fā)明具有變頻器容量小，成本低廉、輸入功率因數(shù)高且諧波含量小的優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)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(xué)