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吊斗鏟變頻系統(tǒng)和提升回拉電機工作原理的論文
摘要：吊斗鏟是由比塞洛斯國際公司生產(chǎn)的世界一流礦山挖掘設(shè)備，它采用了無齒輪傳動和邁步式行走機構(gòu)，并且使用了兩臺功率很大的同步電機作為拖動系統(tǒng)，電機驅(qū)動采用了西門子的交直交變頻技術(shù)。下面針對吊斗鏟的變頻系統(tǒng)的 AFE 單元、逆變單元、中間單元以及控制單元進行分析。
關(guān)鍵詞：吊斗鏟；同步電動機；變頻技術(shù)；AFE;逆變
1 變頻系統(tǒng)
吊斗鏟變頻系統(tǒng)由 AFE 系統(tǒng)、中間單元、逆變單元和控制單元組成。
1.1 AFE 系統(tǒng)
AFE 是 Active Front End 的縮寫，譯為主動前端。從結(jié)構(gòu)上看，采用了 IGBT 功率元件，它相當于一個逆變器，不同的是輸入為交流輸出為直流，因為它位于電源進線側(cè)，所以被稱為前端。其主動的含義在于，與傳統(tǒng)的二極管或可控制硅整流技術(shù)相比，主動前端不再是被動地將交流轉(zhuǎn)變成直流，而是具備了很多主動的控制功能。
AFE 是 PWM 整流器，其基本原理是通過控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使整流器輸入電流接近正弦波，并且電流和電壓同相位，從而消除大部分電流諧波并使功率因數(shù)接近于 1.
1.1.1 AFE 系統(tǒng)的優(yōu)點
�。�1）有源可控的 IGBT.
�。�2）AFE 整流時，電流諧波含量小，其大小不受電網(wǎng)質(zhì)量或負載輕重影響，故電網(wǎng)側(cè)電流比較小且無電網(wǎng)污染。
�。�3）電流可以實現(xiàn)雙向流動，并且不需要制動單元，負載可以在四象限運行，實現(xiàn)能量回饋，提高能源效率。
�。�4）而且不受電網(wǎng)波動的影響，直流電壓保持穩(wěn)定，具有卓越的動態(tài)特性。
�。�5）允許電網(wǎng)電壓的波動范圍寬，使 AFE 可以安全運行在 65%的電源額定電壓范圍內(nèi)。
�。�6）AFE 可以將弱電網(wǎng)上的低電壓相應提高，故允許電源電壓低于電機電壓。
�。�7）功率因數(shù)可調(diào)，可進行無功補償，功率因數(shù)接近于 1.
1.1.2 AFE 系統(tǒng)的組成
AFE 單元由 AFE 電抗器、AFE 預充電回路和 AFE （整流 / 回饋）單元組成。
�。�1）AFE 電抗器
吊斗鏟 AFE 電抗器采用的是 750μH 的電感，它的輸入側(cè)電壓是 900VAC.AFE 能量回饋系統(tǒng)中，AFE 電抗器是至關(guān)重要的，因為它不僅影響到電流環(huán)節(jié)的動、靜態(tài)響應，同時制約著 AFE 的輸出功率、功率因數(shù)。AFE 電抗器在電路中起到如下作用：
a.隔離電網(wǎng)電勢與 AFE 交流側(cè)電壓，通過對 AFE 交流側(cè)電壓（電流）的相位、幅值進行 PWM 控制，可實現(xiàn) AFE 的四象限運行。
b.濾波作用。它可以濾除電網(wǎng)側(cè)交流側(cè)諧波電流，實現(xiàn) AFE 交流側(cè)正弦波電流控制。
c.可以使 AFE 具有升壓特性。
d.使 AFE 系統(tǒng)具有一定的阻尼特性，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，同時還能夠向 AFE 網(wǎng)側(cè)傳送無功功率。
e.回饋電壓通過電抗器融入電網(wǎng)。
（2）AFE 預充電回路
a.預充電回路的作用。
直流母線電容在接通一瞬間相當于短路，充電電流非常大，可能損害 AFE、直流母線和電容。所以為了避免強電流對 AFE、直流母線和電容的沖擊，必須增加預充電過程。同時在預充電回路中必須串入限流電阻，限制直流母線電容的沖擊電流。
b.吊斗鏟 AFE 預充電回路的組成。
吊斗鏟預充電回路是由 2 組三相橋式不可控二極管整流電路組成，這 2 組橋式不可控二極管整流電路串聯(lián)，兩個整流橋串聯(lián)起來直流母線電壓達到 1250VDC,并且在預充電回路中串入了 1Ω的限流電阻。
1.1.3 AFE 單元
a.吊斗鏟 AFE 單元結(jié)構(gòu)和工作原理。
吊斗鏟 AFE 單元在結(jié)構(gòu)上和普通 IGBT 逆變電路是沒有區(qū)別，由二極管反向并聯(lián)可控的 IGBT 組成的橋式電路。它們模塊是獨立結(jié)構(gòu)，而且可以通用。
在 AFE 預充電結(jié)束后，主回路開始工作。在主回路閉合前，AFE工作處于準備階段。當 AFE 交流側(cè)主回路閉合后，AFE 系統(tǒng)通過電壓同步模塊檢測電網(wǎng)的電壓與相位，電網(wǎng)電壓與相位同步完成后，AFE 開始工作。
AFE 處于同步整流狀態(tài)時，AFE 整流單元從電網(wǎng)側(cè)汲取 900V正弦交流電，通過對 AFE 的控制，經(jīng)整流后輸出 1800VDC 并保持恒定，各次諧波由濾波電路刪除。AFE 整流的控制原理（如圖）：
當交流電在正半軸時，初始狀態(tài)所有的開關(guān)打開，電流的途徑是 L1-D3-D2-L2,此時直流母線的電壓是 1272VDC.通過對開關(guān)的控制，將 S1 和 S2 閉合，經(jīng)過 S1 和 S2 有一個大的電流流過 L1 和L2,并將 L1 和 L2 儲能。再將 S1 和 S2 斷開，此時的電流途徑仍保持L1-D3-D2-L2,此時直流母線的電壓上升到 1800VDC.
當交流電在負正半軸時，初始狀態(tài)所有的開關(guān)打開，電流的途徑是 L2-D4-D1-L1,此時直流母線的電壓是 1272VDC.通過對開關(guān)的控制，將 S4 和 S3 閉合，經(jīng)過 S4 和 S3 有一個大的電流流過 L2 和L1,并將 L2 和 L1 儲能。再將 S4 和 S3 斷開，此時的電流途徑仍保持L2-D4-D1-L1,此時直流母線的電壓上升到 1800VCD.這樣就完成了一個周期的整流。電壓保持到 1800VDC.
當 AFE 工作在有源逆變狀態(tài)時，系統(tǒng)通過檢測直流母線的電壓值，然后與預先設(shè)定的 1800VDC 進行比較。當檢測到直流母線數(shù)值大于 1800VDC 時，再對系統(tǒng)交流側(cè)的電壓、電流以及相位進行檢測。通過對 AFE 的控制， 把多余的能量回饋到交流側(cè)電網(wǎng)。
所以，AFE 能夠安全可靠地控制電網(wǎng)側(cè)，實現(xiàn)能量的雙向流動，以滿足驅(qū)動系統(tǒng)電動及發(fā)電制動的要求。
1.2 中間系統(tǒng)
1.2.1 濾波電容。
�。�1）濾波電容的組成
每條直流母線是由 4 個 2000VDC、3m F 的電容并聯(lián)組成濾波電容組，此電容是屬于終身免維護。
�。�2）濾波電容在直流母線中起如下作用。
a.緩沖 AFE 交流側(cè)與直流負載間的能量交換，且穩(wěn)定 AFE 直流側(cè)電壓，使系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。
b.抑制直流側(cè)的諧波。
c.在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因而中間直流電路的電容容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容又稱儲能電容。
1.2.2 DC 母線斬波電路。
AFE 的 DC 母線斬波電路是斬波電阻通過斬波 IGBT 模塊連接到 DC 母線上。斬波電阻是一個阻值很小的電阻，只有 2Ω。雖然阻值很小，但耐高溫，最高溫度可達 750℃。斬波電阻在電路中具有以下作用。
�。�1）正常停機的情況，斬波電阻釋放母線的能量。
�。�2）在正常情況下，AFE 處理所有的回饋能量。在特殊的情況下，AFE 不能有效處理所有回饋能量，斬波電阻幫助 AFE 處理回饋的能量。但是斬波電阻工作時間很短。
1.2.3 DC 母線放電電路。
AFE 的 DC 母線放電電路是由 4 個阻值 10KΩ，功率 225W 的電阻組成。它們連接在 DC 母線的正極和負極之間。DC 放電電阻的作用是設(shè)備在急�；蛄⒓赐C的情況下，DC 母線斬波電路處于不工作狀態(tài)，由 DC 放電電阻將直流母線電容的電壓釋放。
1.3 逆變單元
1.3.1 逆變單元的組成及原理
逆變單元采用了 IGBT 模塊組成的橋式逆變電路。它采用了SPWM 控制方式，將母線 1800VDC 轉(zhuǎn)換成頻率和幅值都是可調(diào)的交流電。
SPWM,正弦脈寬調(diào)制技術(shù)，通過對一系列寬窄不等的脈沖進行調(diào)制來等效正弦波形。
1.3.2 逆變電路中續(xù)流二極管的功能
�。�1）電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。續(xù)流二極管為無功電流返回直流電源提供“通路”.
（2）當頻率下降時，電動機處于再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流通路。
�。�3）在逆變的過程中，同一橋臂的兩個逆變管處于不停交替導通和截止的狀態(tài)。在交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要續(xù)流二極管提供通路。
1.4 控制單元
控制單元應用的是西門子的 SIBAS 控制系統(tǒng)，SIBAS 的意思是，SIBAS 控制系統(tǒng)是在德國發(fā)展的并主要用于火車控制系統(tǒng)，現(xiàn)在應用到吊斗鏟、電鏟、推土機等礦山設(shè)備。SIBAS 系統(tǒng)由 SIBAS 硬件和 SIBAS 軟件組成，SIBAS 軟件使用的是 SIBAS G 程序，通過SIBAS G 程序?qū)?AFE 單元進行控制，控制單元由脈沖觸發(fā)回路、電流反饋回路和線電壓反饋回路組成。
1.4.1 SIBAS 硬件及作用。
電源，為 SIBAS 機架提供合適的電源，主電源是 110VDC,轉(zhuǎn)換成 24VDC、15VDC、5VDC,為 SIBAS 模塊使用。
U/F 是 Voltage/Frequency Converter.它是電壓和頻率信號分離器。U/F 從 CT 或 PT 讀取信號，然后將信號進行分離。分離后將電壓信號傳入 UWS 和 ZR,頻率信號傳入 SIP.
Binary Inputs,讀取外部開關(guān)量輸入信號，電壓等級是 24VDC.例如正常停止信號，緊急停止信號，DPC 反饋信號等。
Binary Outputs,輸出開關(guān)量信號，電壓等級是 24VDC.一部分是將開關(guān)量信號傳入 PLC,一部分用于外部的控制，例如繼電器的控制。
Output Measuring Amplifier,是輸出測量放大器，輸出模擬信號到測試點。
UWS 是 Inverter Monitoring,保護模塊，是硬件保護。用于 IGBT的檢測反饋，過電壓，過電流保護。
Fring Pulse Amplifier,觸發(fā)脈沖放大器。提供 40m A 的放大電流，用于觸發(fā) IGBT 的 Gating Board,并且用于檢測 IGBT 的通斷。
SIP 是 Signal Processing Unit,也稱 DSP,是信號處理單元，用于內(nèi)部通信，高速處理 AFE 觸發(fā)信號。
ZR 是 Central Processor Unit,也稱 CPU,是中央處理單元，用于外部控制。
1.4.2 脈沖觸發(fā)回路。
脈沖觸發(fā)回路由 SIP、UWS 和 Fring Pulse Amplifier 組成。
SIP 產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，發(fā)送到 UWS 卡進行檢測，UWS 卡檢測的信號正常后發(fā)送到 Fring Pulse Amplifier,Fring Pulse Amplifier提供 40m A 的電流信號控制 IGBT 的通斷。
1.4.3 電流反饋電路。
電流反饋回路是通過 CT（電流互感器） 反饋到 SIBAS 系統(tǒng)的U/F 卡。然后從 U/F 卡將信號分配到 UWS、SIP 和 Out MeasuringAmplifier.UWS 用于保護，SIP 用于控制，Out Measuring Amplifier 用于外部測試。
1.4.4 線電壓反饋回路。
線電壓反饋回路是通過 PT（同步電壓模塊）反饋到系統(tǒng)的 U/F,U/F 發(fā)送到 AFE SIP 進行控制。
2 提升和回拉電機
2.1 工作原理。
吊斗鏟的提升和回拉同步電動機具有 9 套三相對稱的定子繞組，額定電壓為 9×1100V.它的轉(zhuǎn)子則是由與定子繞組有相同極數(shù)的固定極性磁極組成，該固定極性磁極是由接入磁極勵磁繞組中的直流電流所產(chǎn)生的，提升和回拉電機是一臺三相 36 極的同步電動機。當該電機定子上的對稱三相繞組流過對稱三相電流時，就會在電動機的氣隙中產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的磁極將根據(jù)異磁極相吸的原理吸引轉(zhuǎn)子磁極以相同的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
2.2 提升和回拉電機的調(diào)速。
吊斗鏟提升和回拉電機的調(diào)速采用了變頻調(diào)速。調(diào)速使用的是恒轉(zhuǎn)速和恒功率。
恒轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)速不變的情況下，提高電機的功率從而增大電機的轉(zhuǎn)矩。恒轉(zhuǎn)速在每分鐘 14 轉(zhuǎn)，頻率為 4.2HZ 下進行的，它的功率可以從 7768KW 增加到 12429KW.
恒功率是功率不變的情況下改變電機的轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速提升時，它的轉(zhuǎn)矩變小。恒轉(zhuǎn)矩是在電機功率 12429KW 時進行的，它的轉(zhuǎn)速可從第分鐘 14 轉(zhuǎn)上升到每分鐘 35 轉(zhuǎn)，頻率從 4.2HZ 到 10.5HZ.
2.3 提升和回拉電機回路。
吊斗鏟提升和回拉電機回路有主回路、保護回路。
�。�1）吊斗鏟提升和回拉電機的主回路有定子主回路和轉(zhuǎn)子主回路。
定子主回路額定電壓為 9×1100VAC.額定電流為 9×490A.定子的輸入電源是由設(shè)備變頻系統(tǒng)的逆變器輸出。轉(zhuǎn)子主回路額定電壓為 320VDC,額定電流為 540A.轉(zhuǎn)子的輸入電源是由變頻系統(tǒng)的斬波器輸出的。
�。�2）吊斗鏟提升和回拉電機的保護回路
吊斗鏟提升和回拉電機的保護回路有電流互感器和電壓互感器，它們將信號傳入 SIBAS 機架內(nèi)，當主回路的電壓和電流超出規(guī)定范圍內(nèi)，控制部分立即斷開電機主回路。
參考文獻：
[1]吊斗鏟電氣圖紙、吊斗鏟維修手冊。
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