交-交變頻器用于交流提升機控制系統(tǒng)的研究(1)

1引言

礦井提升機所使用的交流繞線式電動機通常是靠切換其轉(zhuǎn)子電阻來進行調(diào)速的。但電動機依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。當(dāng)提升容器通過給定的減速點時，由于負載的不同，而將得到不同的減速度，不能達到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。通過操作人員同時施用機械閘，利用閘制動和電機拖動的合成特性來得到要求的減速度及低速爬行。這樣做，不僅耗電量大，閘瓦磨損大，而且操作人員工作非常緊張，安全性、可靠性差。

晶閘管串級調(diào)速自動化提升機，可以獲得較好的控制特性。但電控設(shè)備多、容量大。為獲得減速階段的制動力矩，還需一套動力制動裝置，因而使系統(tǒng)復(fù)雜，投資增加。特別是對于500kW以上的繞線電動機，其轉(zhuǎn)子電壓約為700V左右，使晶閘管裝置的選擇帶來困難。

當(dāng)交流提升機只采用動力制動時，減速爬行階段就要出現(xiàn)制動-電動、電動-制動的多次轉(zhuǎn)換，才能獲得平均的、而非平穩(wěn)的爬行速度，能滿足爬行距離較長的提升機。這種方法要求主減速器有兩個主軸，并增加氣囊離合器，增加了機械結(jié)構(gòu)和制造過程的復(fù)雜性。動力制動的最大弱點是不能提供正力矩。當(dāng)系統(tǒng)需要低速正力爬行時，要從動力制動轉(zhuǎn)換到高壓狀態(tài)工作，實行爬行階段二次給電的脈沖爬行。這種方法機械特性較軟，不易控制。

采用低頻制動，即將電動機定子繞組從三相電網(wǎng)(6kV，50Hz)上斷開后，接至電壓相序相同的低頻電源上。提升機低頻拖動在減速階段使電動機運行在再生發(fā)電制動區(qū)內(nèi)，在爬行階段運行電動區(qū)內(nèi)。并且，提升電動機由制動狀態(tài)到電動狀態(tài)是自然過渡的。交交變頻器作為一種在大功率、低速范圍內(nèi)得到很好應(yīng)用的交流調(diào)速方案，其頻率范圍容易調(diào)節(jié)，作為低頻電源適用于各種作業(yè)的交流提升機。而數(shù)字化是現(xiàn)代傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)全數(shù)字控制是交流提升機自動化的新課題。

2交-交變頻器

交交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種不經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而可變輸出電壓的變頻調(diào)速系統(tǒng)。其每一相均由兩組(正、負組)三相全波變流器反并聯(lián)構(gòu)成。輸出的整流電壓為：

Ud=Ud0cosαp=-Ud0cosαN(1)

式中：αP——正組整流器控制角;

αN——負組整流器控制角;

Ud0——α=0°輸出電壓平均值。

交交變頻器輸出電壓的基波為正弦波，即：

Ud=Udmsinω1t(2)

則

cosαP=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t(3)

式中：k——輸出電壓比，k=Udm/Ud0;

ω——輸出電壓基波的角頻率。

通過改變正、負兩組整流器觸發(fā)角的頻率，即可改變輸出電壓的頻率;改變輸出電壓比k值，即可改變輸出電壓值。

交交變頻器通過兩組反并聯(lián)的晶閘管交替工作來產(chǎn)生一相低頻的交流電壓供給負載，存在環(huán)流問題。在可逆直流傳動中采用的工作方式(如邏輯無環(huán)流、錯位無環(huán)流、可控環(huán)流)一般在交交變頻器中均可適用。交交變頻器的主電路及基本控制部分可采用直流傳動的相同組件和技術(shù)。

3主電路接線及其特點

SIMOREGK6RA24是SIEMENS生產(chǎn)的一種緊湊式三相交流直接供電的全數(shù)字直流調(diào)速裝置，設(shè)計電流范圍15A～120A。其基于高性能的16位微處理器，采用參數(shù)組態(tài)方式用軟件實現(xiàn)調(diào)速傳動控制系統(tǒng)的各種控制功能，具有較高技術(shù)水平。該全數(shù)字交交變頻系統(tǒng)采用三臺6RA24構(gòu)成，主電路為三相橋式，速度-電流雙閉環(huán)控制，邏輯無環(huán)流工作方式。外環(huán)為速度環(huán)，實現(xiàn)精確的速度控制，內(nèi)環(huán)為3個電流環(huán)，以滿足三相電流的平衡和協(xié)調(diào)配合，對三相電流進行交流調(diào)制以使輸出電流波形為正弦波。主電路接線如圖1所示。

圖1交交變頻器主電路接線圖

由圖1可看出，該系統(tǒng)構(gòu)成為三相橋式6脈波接線交交變頻器。相電壓分別為UOR，UOS，UOT，彼此相差120°，作為三相電壓輸出。這種聯(lián)結(jié)可使在選用的晶閘管承受電壓較低的情況下，提高裝置的輸出電壓。如果3個相電壓中含有同樣的直流分量，由于采用星形聯(lián)結(jié)，線電壓中不含有直流分量，變頻器輸出到負載的電壓波中也不會出現(xiàn)直流分量。從而改善了變頻器的輸入功率因數(shù)。如果3個相電壓中含有3,6,9等次諧波，由于這些諧波彼此同相，在該接線(Y 接輸出)中也相互抵消，不反映到負載及線電壓中去，即輸出相電壓中的3倍頻諧波不會傳到電動機端。因此，該系統(tǒng)輸出功率大，高次諧波少，輸出波形好，工作可靠。

4控制系統(tǒng)構(gòu)成

低頻制動方式，使提升機在減速段可將部分機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)，并自然過渡到爬行階段，實現(xiàn)穩(wěn)定的低速爬行。通過采用數(shù)字控制技術(shù)，其控制性能得到大大改善。本系統(tǒng)為速度、電流雙閉環(huán)控制，充分利用了SIMOREGK6RA24的基本控制功能。主要由以下幾個部分組成：

(1)主機板。核心為一16位單片機，用以完成系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)、邏輯操作、故障診斷、自動優(yōu)化和運行狀態(tài)及故障顯示;

(2)信號板。完成控制電源分配、電流反饋信號傳送、脈沖信號隔離放大、操作連鎖等。

(3)光電隔離開關(guān)量輸入、輸出板;

(4)智能化A/D，D/A板;

(5)總線板。

各功能控制通過外部總線構(gòu)成一控制系統(tǒng)，共同完成各項控制任務(wù)。其數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2數(shù)字控制結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，3個電流反饋信號經(jīng)電流互感器檢測，并由兩對采樣開關(guān)整形后送入單片機;速度給定及速度反饋信號經(jīng)濾波電路和絕對值電路變換后送入各組單片機。電流和速度調(diào)節(jié)均由計算機軟件完成。數(shù)字觸發(fā)脈沖信號由單片機的6個高速通道輸出，并由高頻調(diào)制信號一起送入邏輯門陣列電路，變換成互差60°的雙脈沖列，再經(jīng)放大和隔離，分別去觸發(fā)各相功率組件。所有調(diào)節(jié)和控制全數(shù)字化，保證了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

交交變頻器用于交流提升機控制系統(tǒng)的研究

傳動裝置的工作狀態(tài)通過開關(guān)選擇?！皟?nèi)控”時通過主機面板按鍵進行參數(shù)設(shè)置和裝置調(diào)試;“外控”時由操作臺接通傳動裝置，通過主機串行接口 RS232(485)施加主給定，使交流提升機低頻制動過程操作實現(xiàn)自動化。同時可利用6RA24的狀態(tài)字觀察晶閘管工作狀態(tài)反饋信號，讀出實際值及參數(shù)組的寫入和儲存，完成各數(shù)據(jù)與PC的通訊。

5應(yīng)用實例

該交交變頻全數(shù)字拖動控制系統(tǒng)就用于某礦主井，提升機型號JKMD-2.25×4E，AC6kV，800kW。其定轉(zhuǎn)子回路采用真空接觸器換向，整個操作過程為PLC控制帶CRT監(jiān)控。中信重機自動化工程公司制造安裝，1998年12月投入使用。技術(shù)性能完全達到設(shè)計要求，運行效果良好，保證了提升設(shè)備的安全生產(chǎn)。

6結(jié)論

(1)采用全數(shù)字控制交交變頻裝置作為低頻電源用于交流提升機的拖動控制，提高了提升機運行的安全性，具有顯著的節(jié)能效果。有利于改善提升機制動、爬行階段的控制性能，減小爬行距離，縮短提升周期，提高生產(chǎn)能力。

(2)根據(jù)系統(tǒng)的運行結(jié)果，本裝置可適用于礦井提升機的各種運輸形式。由于控制器硬件采用了SIEMENS公司技術(shù)先進的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，具有很高的可靠性，結(jié)合自行開發(fā)的軟件和主電路控制系統(tǒng)，整套裝置具有較高的性能價格比。