孫炳海

(河南城建學(xué)院 電氣工程系,河南 平頂山 467044)

1 引言

目前大部分煤礦提升機(jī)調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)仍采用6 kV高壓交流繞線式電動(dòng)機(jī),采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式,存在諸多缺點(diǎn),而采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改造已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。由于提升機(jī)負(fù)載屬于大慣量負(fù)載、且頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)加減速變化,同時(shí)又是高壓大容量拖動(dòng)系統(tǒng),對(duì)變頻器有著不少特殊的要求。

近年來(lái),高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)已成為國(guó)內(nèi)電力電子及傳動(dòng)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題,有不少關(guān)鍵技術(shù)逐步得到突破。本文提出基于DSP TMS320LF2407芯片控制、串聯(lián)H橋功率單元多電平高壓變頻調(diào)速的技改方案,介紹了其組成、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況,并對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析和闡述。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)組成及工作原理

圖1所示為提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)組成示意圖。礦井提升機(jī)由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制操作系統(tǒng)、指示保護(hù)系統(tǒng)等及其附屬部分組成[1]。它以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,由減速器、主軸裝置構(gòu)成了傳動(dòng)系統(tǒng)和工作系統(tǒng);由液壓站、制動(dòng)器裝置構(gòu)成了制動(dòng)系統(tǒng);由操作臺(tái)、電氣控制設(shè)備構(gòu)成了控制操作系統(tǒng);由深度指示器、軸編碼器等構(gòu)成了指示、保護(hù)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同作用使纏繞在卷筒上的鋼絲繩收放,實(shí)現(xiàn)提升容器在井筒中升降的目的。而拖動(dòng)控制系統(tǒng)主要由 TI TMS320LF2407 DSP芯片構(gòu)成的主控系統(tǒng)、6級(jí)H橋模塊串聯(lián)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)、信號(hào)控制、安全保護(hù)等5部分組成。調(diào)速及控制系統(tǒng)主要設(shè)備由操作臺(tái)、變頻柜、電源柜、動(dòng)力柜及控制柜構(gòu)成。

圖1 煤礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)基本組成Fig.1 Coal mine shaft hoist frequency control system fundamental component

2.1 主回路結(jié)構(gòu)、組成及原理

2.1.1 主回路結(jié)構(gòu)及組成

高壓提升變頻器系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示,由移相變壓器、功率單元和控制器組成。主回路采用多個(gè)功率單元串聯(lián)、疊波升壓的方法實(shí)現(xiàn)高電壓的輸出[2]。每相有 6級(jí)功率單元串聯(lián)而成,三相共18個(gè)功率單元。仍采用原電動(dòng)機(jī),把轉(zhuǎn)子所串電阻短接。

圖2 6kV高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 6kV high-voltage converter main circuit structure diagram

2.1.2 主回路工作原理

整流輸入側(cè)接入隔離移相變壓器,原邊繞組為Y接法,直接與6kV/50Hz高壓電源相接。副邊繞組采用曲折繞法,延邊三角形接法,組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及結(jié)構(gòu)而定。該方案為6級(jí)功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu),因此需要副邊18組三相輸出繞組,每3個(gè)為1組,6組之間精確移相60°/6=10°,同組的副邊輸出相位相同,構(gòu)成一個(gè)6重化整流系統(tǒng)。6組繞組分別連接A,B,C三相的18個(gè)功率單元,為每個(gè)功率單元提供單獨(dú)的三相低壓電源輸入,通過(guò)功率單元內(nèi)部的整流、濾波、逆變,輸出一個(gè)單相PWM波形,同一相上的6個(gè)PWM波形進(jìn)行疊加,即可得到一個(gè)平滑度較好的正弦波[1]。每個(gè)功率單元額定輸出是AC 580V,根據(jù)電壓疊加原理,每相6個(gè)功率單元串聯(lián)輸出的相電壓3450V,線電壓額定值為6000V,三相輸出端Y連接,其中性點(diǎn)懸浮,獲得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的高壓三相變頻電源。輸出頻率范圍為0～120 Hz。

采用多重化技術(shù),用相同的移相角(10°)控制,36脈沖整流,可消除大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流,大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波,尤其是低次諧波的產(chǎn)生。使輸入端的功率因數(shù)＞0.96,諧波成分(T HD＜4%)滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定。

2.2 H橋功率單元結(jié)構(gòu)、組成及原理

2.2.1 H橋功率單元結(jié)構(gòu)及組成

如圖3所示為可控整流H橋逆變電壓型功率單元。每個(gè)功率單元主要由3部分組成,即輸入側(cè)為6只IGBT構(gòu)成的三相全橋可控整流部分,中間環(huán)節(jié)為采用電解電容濾波和儲(chǔ)能的直流部分,輸出側(cè)為4只IGBT組成的H橋逆變部分。輸入側(cè)設(shè)有快速熔斷器FU、三相啟動(dòng)電阻R,三相接觸器 KM,濾波電容C和電抗器L。Q1～Q6為網(wǎng)側(cè)變換器元件IGBT,采用德國(guó)EUPEC,型號(hào)為BSM200GB170DLOC,Q7～Q10為電機(jī)側(cè)逆變器件IGBT,型號(hào)為FF300R17KE3。每個(gè)IGBT帶有反并聯(lián)二極管D。每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交直交電壓源型單相低壓變頻器,它是整臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)變壓變頻輸出的基本單元。每個(gè)功率單元內(nèi)有獨(dú)立的一塊控制板和一塊驅(qū)動(dòng)板。

2.2.2 H橋功率單元工作原理

圖3 功率單元結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diag ram of power unit structure

單元控制板通過(guò)光纖接收來(lái)自系統(tǒng)控制器的信號(hào),由CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)解碼后,再經(jīng)驅(qū)動(dòng)板分別對(duì)整流、逆變部分的IGBT及旁路開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)同步整流和有源逆變。采用雙PWM方法,即整流和逆變部分采用相同的電路和控制方法,控制方法為矢量脈寬調(diào)制方式。同步整流控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)單元電網(wǎng)輸入電壓,利用鎖相控制技術(shù)得到電網(wǎng)輸入電壓相位,通過(guò)控制整流逆變開(kāi)關(guān)管Q1～Q6所構(gòu)成的相位與電網(wǎng)電壓的相位差,即可控制電功率在電網(wǎng)與功率單元之間的流向。而其相位差由單元電壓與單元整定值之間的偏差通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成。同步整流時(shí),整流側(cè)相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓電源,經(jīng)整流的電流通過(guò)直流環(huán)節(jié)電解電容濾波后,再由H橋中的IGB T(Q7～Q10)導(dǎo)通和關(guān)斷,將直流逆變?yōu)閱蜗嗝}寬調(diào)制的正弦波形而輸出。同時(shí),單元故障檢測(cè)電路檢測(cè)到的各種故障信號(hào),經(jīng)過(guò)故障編碼邏輯電路編碼后,發(fā)送回控制器,實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

當(dāng)電機(jī)加速或勻速運(yùn)行時(shí),變頻器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),變頻器處于整流-逆變狀態(tài),此時(shí)輸入電流和電壓同頻同相(如圖4a所示),逆變相位滯后,電網(wǎng)電能注入功率單元,經(jīng)整流逆變后,向電機(jī)提供變頻電源,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài);當(dāng)電機(jī)減速運(yùn)行或負(fù)力下行時(shí),由于負(fù)載慣性作用使電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài),變頻器制動(dòng)電機(jī)運(yùn)行,變頻器處于有源逆變狀態(tài),其再生電能經(jīng)逆變器中開(kāi)關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電,使中間直流母線電壓升高,電容器上的直流電壓達(dá)到有源逆變啟動(dòng)的門(mén)檻電壓時(shí),各功率單元內(nèi)的控制器檢測(cè)到這一電壓,自動(dòng)啟動(dòng)有源逆變,這時(shí)輸入的電壓和電流同頻反向(如圖4b所示),逆變相位超前,功率單元將再生電能回饋到電網(wǎng)中去。

圖4 輸入側(cè)電壓電流波形Fig.4 Synchronous rectifier voltage and current waveforms

控制板上的控制電源直接取自直流母線,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源的隔離和變換后得到所需的控制電源,其中+15 V電源被隔離成10路電源,分別驅(qū)動(dòng)整流和逆變部分的 IGBT。當(dāng)高壓電源失電后,控制電源并不會(huì)立即消失,可延長(zhǎng)數(shù)分鐘,以確保高壓電源瞬時(shí)停電跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)。

2.3 主控系統(tǒng)組成及工作原理

如圖2所示,主控制系統(tǒng)由控制器,IO板和人機(jī)界面組成。控制器由3塊光纖板,1塊信號(hào)板,1塊主控板和1塊電源板組成。光纖板通過(guò)光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào),每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)或工作模式。單元通過(guò)光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào),并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。信號(hào)板采集變頻器的輸出電壓、電流信號(hào)和光電編碼盤(pán)信號(hào),并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于變頻器控制、保護(hù),以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。人機(jī)界面通過(guò)RS232通訊口與主控板連接、通過(guò)RS485通訊口與IO接口板連接,進(jìn)行交換數(shù)據(jù),提供變頻器、電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)控它們的狀態(tài),并且可以網(wǎng)絡(luò)化控制。

主控板選用高速芯片DSPTMS320LF2407為控制器核心,速度傳感器選用歐姆龍光電編碼盤(pán)E6B2-CWZ1X1000P/R,采用電機(jī)轉(zhuǎn)子帶速度反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制矢量控制技術(shù)[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)的算法與工控PC機(jī)協(xié)同運(yùn)算控制,運(yùn)用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令,完成對(duì)電機(jī)控制的所有功能。如圖5所示,根據(jù)矢量控制原理,在電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定位坐標(biāo)下把定子電流分解成勵(lì)磁電流IM與轉(zhuǎn)矩電流 IT,維持勵(lì)磁電流不變,通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩[3]。實(shí)際運(yùn)行中是把反饋轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比較,得到的偏差通過(guò)PID調(diào)節(jié)生成轉(zhuǎn)矩電流IT。轉(zhuǎn)矩電流信號(hào) IT和勵(lì)磁電流信號(hào)IM經(jīng)過(guò)矢量控制器變換為電機(jī)三相給定電流信號(hào),這3個(gè)給定電流信號(hào)與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的反饋電流信號(hào)ia,ib,ic相比較生成三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMA,PWMB,PWMC,控制變頻器輸出相應(yīng)的變頻電源。

圖5 系統(tǒng)矢量控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of vector control system

3 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

H橋功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

1)采用功率單元串聯(lián)、疊波升壓技術(shù),解決了因器件耐壓有限,無(wú)法直接串聯(lián)的問(wèn)題及因開(kāi)關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了高壓大功率變頻,具有很高的可靠性[4]。功率單元模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)性能一致,電氣及機(jī)械參數(shù)相同,可以互換。

2)輸入側(cè)采用高壓移相變壓器,采用多重化技術(shù),36脈沖整流方式,大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波,使輸入端的功率因數(shù)接近1。

3)采用多級(jí)串聯(lián)PWM信號(hào)移相疊波技術(shù),對(duì)每個(gè)單元的PWM波形重組,由功率單元的三電平得到了輸出電壓多電平的PWM波形,如圖6、圖7所示,波形的正弦度很好。減少了輸出諧波,降低了輸出電壓的dv/dt。輸出側(cè)無(wú)需濾波器,負(fù)荷電纜可以很長(zhǎng),電機(jī)不需降額使用,原電機(jī)不需更換。

圖6 輸出線電壓波形Fig.6 Output line voltage waveform

圖7 輸出線電流波形Fig.7 Output line current waveform

4)采用IGBT可控整流,再生電能回饋電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了電機(jī)4象限運(yùn)行。

5)采用了工頻旁路和功率單元旁路技術(shù),需工頻旁路時(shí)可以自動(dòng)或手動(dòng)投切。當(dāng)某一功率單元發(fā)生故障而不能及時(shí)恢復(fù),功率單元自動(dòng)轉(zhuǎn)置到單元旁路狀態(tài),系統(tǒng)降額繼續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)論

H橋功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)方案,已在某煤礦主井提升機(jī)(電動(dòng)機(jī)型號(hào)YB-630/12、710 kW、6 kV)上得到應(yīng)用。技術(shù)改造后已正常運(yùn)行1a有余,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。提升1個(gè)循環(huán)由原來(lái)的76 s縮短為61 s,節(jié)省時(shí)間15 s,每年提升煤量增加26萬(wàn)t;原來(lái)每月平均用電量3.26萬(wàn)kW?h,技改后月平均用電量2.282萬(wàn)kW?h,節(jié)電率可達(dá)30%,節(jié)能效果非常顯著,經(jīng)濟(jì)效益十分可觀,因此,該技術(shù)的應(yīng)用將成為礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向,具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]孫炳海.PLC控制與變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦井提升機(jī)上的應(yīng)用[C]∥電子信息與技術(shù)應(yīng)用論文集,2009:288-292.

[2]李永東,肖曦,高躍.大容量多電平變換器——原理控制應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]竺偉,陳伯時(shí),周鶴良,等.單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器的起源、現(xiàn)狀和展望[J].電氣傳動(dòng),2006,36(6):3-7.