可控硅無(wú)環(huán)流交一交變頻拖動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

1．引言 礦井提升機(jī)大量使用的交流拖動(dòng)方式，其拖動(dòng)電機(jī)都是繞線式異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路串接的金屬電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。顯然，這種調(diào)速方案是有級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)差功率都消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，能耗大、效率低。由于在同步速以下電動(dòng)機(jī)無(wú)法產(chǎn)生制動(dòng)力矩，因此，必須采用其它方式(動(dòng)力制動(dòng)或低頻制動(dòng))來(lái)完成礦井提升機(jī)減速階段的電氣制動(dòng)。從這種交流拖動(dòng)方式的特點(diǎn)可以看到，系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，其性能受負(fù)載的影響較大，調(diào)速性能差，特別是在減速與爬行階段尤為嚴(yán)重。負(fù)載重則減速快，使爬行距離加長(zhǎng)，提升循環(huán)時(shí)間增加;負(fù)載輕則減速慢，在設(shè)計(jì)的減速距離內(nèi)速度降不到爬行速度，容易造成過(guò)速過(guò)重等嚴(yán)重后果。 隨著電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。特別是矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)了電氣傳動(dòng)的潮流。礦井交流提升機(jī)低頻拖動(dòng)裝置的性能好壞，直接影響煤礦的生產(chǎn)和安全。因此，從礦井交流提升機(jī)的實(shí)際情況和控制技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，為獲得恒減速制動(dòng)和穩(wěn)定的爬行，研制開(kāi)發(fā)高可靠性、功能完善、調(diào)速性能好的全數(shù)字無(wú)環(huán)流交一交變頻低頻拖動(dòng)裝置是非常必要的。 2．交一交變頻電路的工作原理 交-交變頻電路是不通過(guò)中間直流環(huán)節(jié)而把電網(wǎng)頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變流電路，交一交變頻電路也叫周波變流器(cyclo converter)。其特點(diǎn)為: (1) 因?yàn)槭侵苯幼儞Q，故比一般的變頻器有更高的效率;某些部分包絡(luò)所構(gòu)成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低得多的時(shí)候，輸出波形較好; (3 )變 頻 器按電網(wǎng)電壓過(guò)零自然換相，可采用變通晶閘管; (4 )因 電 路構(gòu)成方式的特點(diǎn)，所用晶閘管元件數(shù)量較多; (5) 功 率 因數(shù)較低，特別在低速運(yùn)行時(shí)更低，需要適當(dāng)補(bǔ)償。 2.1 交一交變頻器的控制方法及特點(diǎn) 交-交變頻器的控制方式可以分為兩大類：電流控制型和電壓控制型交一交變頻器。 電壓控制型變頻器的輸出是電壓源，其輸出電壓跟隨給定信號(hào)變化，受負(fù)載電流變化影響小。電流控制型變頻器的輸出是電流源，其輸出電流跟隨給定信號(hào)變化，受負(fù)載電壓的變化影響小。 電流控制可以方便地實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)。新型電流控制電路將交流電流的幅值和相位分開(kāi)來(lái)進(jìn)行控制，用電流的幅值和相位作為控制的給定值。由于幅值和相位都是直流量，且相互獨(dú)立，因而可以采用比例、積分調(diào)節(jié)器，故能夠達(dá)到較好的電流控制效果，如圖1，它克服了早期的電流控制型電路電流調(diào)節(jié)器只能采用比例調(diào)節(jié)器的一些缺點(diǎn)，減小了給定與反饋之間總存在的固有誤差，使得實(shí)際電流可以很好的跟隨給定電流。 2.2 無(wú)環(huán)流交一交變頻器換向的實(shí)現(xiàn)方法 不論是電壓型還是電流型控制的無(wú)環(huán)流交一交變頻器，任何時(shí)刻只能有一組變流器有觸發(fā)脈沖，而另一組變流器的觸發(fā)脈沖被封鎖。正、反組變流器換組時(shí)都必須在主電路電流為零時(shí)，而且中間有一段時(shí)間兩組變流器的觸發(fā)脈沖都被封鎖，以確保換組可靠進(jìn)行，否則將會(huì)造成電源短路。因此，實(shí)際的零電流一定要準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)出來(lái)，這關(guān)系到換向的死區(qū)長(zhǎng)短，以及換向的可靠性。零電流檢測(cè)方法主要有交流電流互感器檢測(cè)法、交/直流傳感器檢測(cè)法(LEM傳感器)、串聯(lián)二極管檢測(cè)法、晶閘管端電壓檢測(cè)法等。綜合考慮這幾種方法，本控制系統(tǒng)采用了晶閘管端電壓檢測(cè)法，它是基于測(cè)量變頻器中每個(gè)橋臂的晶閘管壓降 ，晶 閘管導(dǎo)通時(shí)管壓降很低，接近于零，關(guān)斷時(shí)管壓降較高，為電源電壓，如果一個(gè)橋中3個(gè)臂的管壓降均不為零，則表示“零電流”狀態(tài)，只要有一個(gè)臂的管壓降等于零，就是“有電流”狀態(tài)。由此可以較準(zhǔn)確地判斷出零電流的時(shí)刻。該方法具有快速、簡(jiǎn)單、可靠、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的零電流檢測(cè)方法。 3．可控硅無(wú)環(huán)流交一交低頻裝里改造 該裝 置 按 功能可分為五個(gè)部分:主回路;信號(hào)回路;計(jì)算機(jī)及脈沖通道;直流電源回路;輔助回路 3. 1 主回路部分: 主回路 是 由三個(gè)三相半波整流電路，構(gòu)成一個(gè)輸出三相低頻的電路，如圖2所示。 其中每個(gè)三相半波整流電路稱為低頻輸出相，用AD(或BD,或CD)表示;共陽(yáng)級(jí)的三只可控硅整流元件稱為負(fù)組，用AD- (BD一或CD-)表示，用三個(gè)三相全波電路可構(gòu)成三相全波變頻電路，但所用可控硅元件多，電路本身要求三相負(fù)載互相獨(dú)立。即電動(dòng)機(jī)繞組的中心點(diǎn)要打開(kāi)，由三相全波電路分別供電。這樣，會(huì)給控制上造成很多麻煩，要增加開(kāi)關(guān)設(shè)備。如果三相負(fù)載不獨(dú)立，則要求有三相獨(dú)立的50H2電源分別給三相負(fù)載供電，這樣使電源復(fù)雜化了。鑒于上述情況，所以選用三相半波電路，而且三相半波電路完全可以滿足條件。可以看出?？煽毓鑃CRI -SCR6分別組成低頻相AD+和AD一、SCR7一SCR12組成低頻相CD+和CD 一。AD+ 和AD 一、BD+ 和BI)一、CD+和CD一分別接在一組生鐵電阻的兩端，再?gòu)碾娮璧闹虚g位置，分別引出我們所需要的三相低頻相AD、BD、CD。這三箱生鐵電阻的阻值分別為0. 4 dZ左右，其作用主要是在該低頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)限制故障中電流數(shù)值，從而達(dá)到保護(hù)可控硅免受過(guò)流擊穿。 3.2 信號(hào)回路部分: 信號(hào)回路 由四部分組成，它們分別是外部邏輯信號(hào)回路，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，負(fù)荷測(cè)量回路，同步信號(hào)回路。其中外部邏輯信號(hào)回路，根據(jù)絞車運(yùn)行的要求，決定該低頻系統(tǒng)在各段時(shí)間內(nèi)的工作方式，以及各個(gè)不同工作方式之間的轉(zhuǎn)換。速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器回路，完成該系統(tǒng)在動(dòng)力制動(dòng)階段和低頻拖動(dòng)階段的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使該系統(tǒng)始終按要求給定的速度曲線運(yùn)行;負(fù)荷測(cè)量回路主要是為低頻拖動(dòng)階段服務(wù)的。在絞車勻速運(yùn)行時(shí)，該回路檢測(cè)定子電流的值，并把定子電流的大小以相應(yīng)的電壓形式反映出來(lái)，再根據(jù)此電壓值的高低，為該低頻系統(tǒng)可控硅的觸發(fā)，提供一個(gè)起始命令。 3.3 計(jì)算機(jī)及脈沖通道: 計(jì)算機(jī) 單元的系統(tǒng)組成為:CPU 由Intel8751擔(dān)任;AD鎖存器為74LS373;程序存儲(chǔ)器是2764(8k字節(jié));A/D轉(zhuǎn)換為ADC0809;分頻器為74LS74。當(dāng)提升機(jī)切除高壓進(jìn)入制動(dòng)階段，輸入端1口得到同步觸發(fā)信號(hào)，計(jì)算機(jī)首先從ADC0809的B口讀取負(fù)荷測(cè)量單元的輸出值，并保存起來(lái)作為拖動(dòng)時(shí)選表的依據(jù)。當(dāng)提升機(jī)為爬行階段，同樣由外部中斷輸入口。被觸發(fā)，申請(qǐng)中斷，計(jì)算機(jī)便進(jìn)入爬行輸出。脈沖放大電路是脈沖通道的中間環(huán)節(jié)，脈沖放大電路將來(lái)自計(jì)算機(jī)觸發(fā)脈沖信號(hào)，進(jìn)行光電隔離后，放大、整形。經(jīng)過(guò)隔離放大的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖變壓器的作用及隔離，形成觸等脈沖信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷。 3.4 抗干擾性: 該系統(tǒng) 主要應(yīng)用于礦井交流提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化，大電機(jī)啟、停頻繁，從而造成電源波動(dòng)大，系統(tǒng)硬件抗干擾主要措施是電源采用了隔離、濾波和屏蔽等技術(shù)。在傳輸線路上，先把模擬信號(hào)線、數(shù)字線以及電源線分開(kāi)，盡量避免并行敷設(shè)，且留有間距。信號(hào)線都采用雙絞屏蔽線，而且屏蔽線進(jìn)行良好接地。軟件上對(duì)一些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，并編制了“看門狗”等常用的軟件抗干擾技術(shù)，從而使系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠。 4．結(jié)束語(yǔ) 改善礦井交流提升機(jī)的性能，提高礦井提升的自動(dòng)化水平，是每個(gè)擁有這種裝備的礦井所迫切要解決的問(wèn)題。本文就是從這一實(shí)際出發(fā)，以礦井交流提升機(jī)為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了礦井交流提升機(jī)減速段的制動(dòng)特點(diǎn)，指出采用交一交變頻低頻拖動(dòng)方式是實(shí)現(xiàn)礦井交流提升機(jī)減速段控制的最佳方案。該系統(tǒng)的控制部分全部由多CPU組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件采用大板結(jié)構(gòu)，避免了接插件的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，而且維修、更換方便。設(shè)計(jì)的零電流檢測(cè)電路可靠、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了無(wú)環(huán)流換向。所編制的計(jì)算機(jī)軟件正確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能，特別是考慮了觸發(fā)脈沖數(shù)字實(shí)現(xiàn)的特殊間題(換向時(shí)丟脈沖現(xiàn)象)之后，有效地縮短了無(wú)環(huán)流換向的時(shí)間。研制的低頻拖動(dòng)裝置已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，所有的功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了恒減速制動(dòng)，縮短了爬行時(shí)間，提高了提升機(jī)的提升能力，改善了礦井交流提升機(jī)的性能，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，裝置具有很好的可靠性和杭干擾能力。