交-交變頻器用于交流提升機(jī)控制系統(tǒng)的研究(1)

1引言

礦井提升機(jī)所使用的交流繞線式電動(dòng)機(jī)通常是靠切換其轉(zhuǎn)子電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)速的。但電動(dòng)機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。當(dāng)提升容器通過(guò)給定的減速點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車(chē)位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。通過(guò)操作人員同時(shí)施用機(jī)械閘，利用閘制動(dòng)和電機(jī)拖動(dòng)的合成特性來(lái)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(jí)調(diào)速自動(dòng)化提升機(jī)，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(dòng)力矩，還需一套動(dòng)力制動(dòng)裝置，因而使系統(tǒng)復(fù)雜，投資增加。特別是對(duì)于500kW以上的繞線電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子電壓約為700V左右，使晶閘管裝置的選擇帶來(lái)困難。

當(dāng)交流提升機(jī)只采用動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，減速爬行階段就要出現(xiàn)制動(dòng)-電動(dòng)、電動(dòng)-制動(dòng)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(zhǎng)的提升機(jī)。這種方法要求主減速器有兩個(gè)主軸，并增加氣囊離合器，增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程的復(fù)雜性。動(dòng)力制動(dòng)的最大弱點(diǎn)是不能提供正力矩。當(dāng)系統(tǒng)需要低速正力爬行時(shí)，要從動(dòng)力制動(dòng)轉(zhuǎn)換到高壓狀態(tài)工作，實(shí)行爬行階段二次給電的脈沖爬行。這種方法機(jī)械特性較軟，不易控制。

采用低頻制動(dòng)，即將電動(dòng)機(jī)定子繞組從三相電網(wǎng)(6kV，50Hz)上斷開(kāi)后，接至電壓相序相同的低頻電源上。提升機(jī)低頻拖動(dòng)在減速階段使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電制動(dòng)區(qū)內(nèi)，在爬行階段運(yùn)行電動(dòng)區(qū)內(nèi)。并且，提升電動(dòng)機(jī)由制動(dòng)狀態(tài)到電動(dòng)狀態(tài)是自然過(guò)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(jī)。而數(shù)字化是現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制是交流提升機(jī)自動(dòng)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(guò)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(fù)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(fù)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(guò)改變正、負(fù)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(guò)兩組反并聯(lián)的晶閘管交替工作來(lái)產(chǎn)生一相低頻的交流電壓供給負(fù)載，存在環(huán)流問(wèn)題。在可逆直流傳動(dòng)中采用的工作方式(如邏輯無(wú)環(huán)流、錯(cuò)位無(wú)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(dòng)的相同組件和技術(shù)。

3主電路接線及其特點(diǎn)

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(jì)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(shí)現(xiàn)調(diào)速傳動(dòng)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(tái)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(wú)環(huán)流工作方式。外環(huán)為速度環(huán)，實(shí)現(xiàn)精確的速度控制，內(nèi)環(huán)為3個(gè)電流環(huán)，以滿足三相電流的平衡和協(xié)調(diào)配合，對(duì)三相電流進(jìn)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(gè)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(fù)載的電壓波中也不會(huì)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(gè)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(fù)載及線電壓中去，即輸出相電壓中的3倍頻諧波不會(huì)傳到電動(dòng)機(jī)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(dòng)方式，使提升機(jī)在減速段可將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)，并自然過(guò)渡到爬行階段，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低速爬行。通過(guò)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(gè)部分組成：

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

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

(3)光電隔離開(kāi)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(guò)外部總線構(gòu)成一控制系統(tǒng)，共同完成各項(xiàng)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(gè)電流反饋信號(hào)經(jīng)電流互感器檢測(cè)，并由兩對(duì)采樣開(kāi)關(guān)整形后送入單片機(jī);速度給定及速度反饋信號(hào)經(jīng)濾波電路和絕對(duì)值電路變換后送入各組單片機(jī)。電流和速度調(diào)節(jié)均由計(jì)算機(jī)軟件完成。數(shù)字觸發(fā)脈沖信號(hào)由單片機(jī)的6個(gè)高速通道輸出，并由高頻調(diào)制信號(hào)一起送入邏輯門(mén)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(jī)控制系統(tǒng)的研究

傳動(dòng)裝置的工作狀態(tài)通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇?！皟?nèi)控”時(shí)通過(guò)主機(jī)面板按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和裝置調(diào)試;“外控”時(shí)由操作臺(tái)接通傳動(dòng)裝置，通過(guò)主機(jī)串行接口 RS232(485)施加主給定，使交流提升機(jī)低頻制動(dòng)過(guò)程操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。同時(shí)可利用6RA24的狀態(tài)字觀察晶閘管工作狀態(tài)反饋信號(hào)，讀出實(shí)際值及參數(shù)組的寫(xiě)入和儲(chǔ)存，完成各數(shù)據(jù)與PC的通訊。

5應(yīng)用實(shí)例

該交交變頻全數(shù)字拖動(dòng)控制系統(tǒng)就用于某礦主井，提升機(jī)型號(hào)JKMD-2.25×4E，AC6kV，800kW。其定轉(zhuǎn)子回路采用真空接觸器換向，整個(gè)操作過(guò)程為PLC控制帶CRT監(jiān)控。中信重機(jī)自動(dòng)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)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(jī)的拖動(dòng)控制，提高了提升機(jī)運(yùn)行的安全性，具有顯著的節(jié)能效果。有利于改善提升機(jī)制動(dòng)、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(yùn)行結(jié)果，本裝置可適用于礦井提升機(jī)的各種運(yùn)輸形式。由于控制器硬件采用了SIEMENS公司技術(shù)先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，具有很高的可靠性，結(jié)合自行開(kāi)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(jià)格比。