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吊斗鏟變頻系統(tǒng)和提升回拉電機(jī)工作原理的論文
摘要：吊斗鏟是由比塞洛斯國(guó)際公司生產(chǎn)的世界一流礦山挖掘設(shè)備，它采用了無(wú)齒輪傳動(dòng)和邁步式行走機(jī)構(gòu)，并且使用了兩臺(tái)功率很大的同步電機(jī)作為拖動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了西門子的交直交變頻技術(shù)。下面針對(duì)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(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：吊斗鏟；同步電動(dòng)機(jī)；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(dòng)前端。從結(jié)構(gòu)上看，采用了 IGBT 功率元件，它相當(dāng)于一個(gè)逆變器，不同的是輸入為交流輸出為直流，因?yàn)樗挥陔娫催M(jìn)線側(cè)，所以被稱為前端。其主動(dòng)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(dòng)前端不再是被動(dòng)地將交流轉(zhuǎn)變成直流，而是具備了很多主動(dòng)的控制功能。
AFE 是 PWM 整流器，其基本原理是通過(guò)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(diǎn)
�。�1）有源可控的 IGBT.
�。�2）AFE 整流時(shí)，電流諧波含量小，其大小不受電網(wǎng)質(zhì)量或負(fù)載輕重影響，故電網(wǎng)側(cè)電流比較小且無(wú)電網(wǎng)污染。
（3）電流可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，并且不需要制動(dòng)單元，負(fù)載可以在四象限運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量回饋，提高能源效率。
（4）而且不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，直流電壓保持穩(wěn)定，具有卓越的動(dòng)態(tài)特性。
�。�5）允許電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍寬，使 AFE 可以安全運(yùn)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(yīng)提高，故允許電源電壓低于電機(jī)電壓。
�。�7）功率因數(shù)可調(diào)，可進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)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(yù)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?yàn)樗粌H影響到電流環(huán)節(jié)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)，同時(shí)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(shì)與 AFE 交流側(cè)電壓，通過(guò)對(duì) AFE 交流側(cè)電壓（電流）的相位、幅值進(jìn)行 PWM 控制，可實(shí)現(xiàn) AFE 的四象限運(yùn)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(shí)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(shí)還能夠向 AFE 網(wǎng)側(cè)傳送無(wú)功功率。
e.回饋電壓通過(guò)電抗器融入電網(wǎng)。
�。�2）AFE 預(yù)充電回路
a.預(yù)充電回路的作用。
直流母線電容在接通一瞬間相當(dāng)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(qiáng)電流對(duì) AFE、直流母線和電容的沖擊，必須增加預(yù)充電過(guò)程。同時(shí)在預(yù)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(yù)充電回路的組成。
吊斗鏟預(yù)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(gè)整流橋串聯(lián)起來(lái)直流母線電壓達(dá)到 1250VDC,并且在預(yù)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(dú)立結(jié)構(gòu)，而且可以通用。
在 AFE 預(yù)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(zhǔn)備階段。當(dāng) AFE 交流側(cè)主回路閉合后，AFE 系統(tǒng)通過(guò)電壓同步模塊檢測(cè)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(shí)，AFE 整流單元從電網(wǎng)側(cè)汲取 900V正弦交流電，通過(guò)對(duì) 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(dāng)交流電在正半軸時(shí)，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(shí)直流母線的電壓是 1272VDC.通過(guò)對(duì)開關(guān)的控制，將 S1 和 S2 閉合，經(jīng)過(guò) S1 和 S2 有一個(gè)大的電流流過(guò) L1 和L2,并將 L1 和 L2 儲(chǔ)能。再將 S1 和 S2 斷開，此時(shí)的電流途徑仍保持L1-D3-D2-L2,此時(shí)直流母線的電壓上升到 1800VDC.
當(dāng)交流電在負(fù)正半軸時(shí)，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(shí)直流母線的電壓是 1272VDC.通過(guò)對(duì)開關(guān)的控制，將 S4 和 S3 閉合，經(jīng)過(guò) S4 和 S3 有一個(gè)大的電流流過(guò) L2 和L1,并將 L2 和 L1 儲(chǔ)能。再將 S4 和 S3 斷開，此時(shí)的電流途徑仍保持L2-D4-D1-L1,此時(shí)直流母線的電壓上升到 1800VCD.這樣就完成了一個(gè)周期的整流。電壓保持到 1800VDC.
當(dāng) AFE 工作在有源逆變狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)直流母線的電壓值，然后與預(yù)先設(shè)定的 1800VDC 進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)到直流母線數(shù)值大于 1800VDC 時(shí)，再對(duì)系統(tǒng)交流側(cè)的電壓、電流以及相位進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì) 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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，以滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)及發(fā)電制動(dòng)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(gè) 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(hù)。
�。�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(fù)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(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。因而中間直流電路的電容容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容又稱儲(chǔ)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(guò)斬波 IGBT 模塊連接到 DC 母線上。斬波電阻是一個(gè)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(dá) 750℃。斬波電阻在電路中具有以下作用。
（1）正常停機(jī)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(shí)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(gè)阻值 10KΩ，功率 225W 的電阻組成。它們連接在 DC 母線的正極和負(fù)極之間。DC 放電電阻的作用是設(shè)備在急停或立即停機(jī)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(guò)對(duì)一系列寬窄不等的脈沖進(jìn)行調(diào)制來(lái)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(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量。續(xù)流二極管為無(wú)功電流返回直流電源提供“通路”.
�。�2）當(dāng)頻率下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過(guò)續(xù)流二極管返回直流通路。
�。�3）在逆變的過(guò)程中，同一橋臂的兩個(gè)逆變管處于不停交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。
1.4 控制單元
控制單元應(yīng)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(guó)發(fā)展的并主要用于火車控制系統(tǒng)，現(xiàn)在應(yīng)用到吊斗鏟、電鏟、推土機(jī)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(guò)SIBAS G 程序?qū)?AFE 單元進(jìn)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(jī)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(hào)分離器。U/F 從 CT 或 PT 讀取信號(hào)，然后將信號(hào)進(jìn)行分離。分離后將電壓信號(hào)傳入 UWS 和 ZR,頻率信號(hào)傳入 SIP.
Binary Inputs,讀取外部開關(guān)量輸入信號(hào)，電壓等級(jí)是 24VDC.例如正常停止信號(hào)，緊急停止信號(hào)，DPC 反饋信號(hào)等。
Binary Outputs,輸出開關(guān)量信號(hào)，電壓等級(jí)是 24VDC.一部分是將開關(guān)量信號(hào)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(cè)量放大器，輸出模擬信號(hào)到測(cè)試點(diǎn)。
UWS 是 Inverter Monitoring,保護(hù)模塊，是硬件保護(hù)。用于 IGBT的檢測(cè)反饋，過(guò)電壓，過(guò)電流保護(hù)。
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(cè) IGBT 的通斷。
SIP 是 Signal Processing Unit,也稱 DSP,是信號(hào)處理單元，用于內(nèi)部通信，高速處理 AFE 觸發(fā)信號(hào)。
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(hào)，發(fā)送到 UWS 卡進(jìn)行檢測(cè)，UWS 卡檢測(cè)的信號(hào)正常后發(fā)送到 Fring Pulse Amplifier,Fring Pulse Amplifier提供 40m A 的電流信號(hào)控制 IGBT 的通斷。
1.4.3 電流反饋電路。
電流反饋回路是通過(guò) 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(hào)分配到 UWS、SIP 和 Out MeasuringAmplifier.UWS 用于保護(hù)，SIP 用于控制，Out Measuring Amplifier 用于外部測(cè)試。
1.4.4 線電壓反饋回路。
線電壓反饋回路是通過(guò) 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(jìn)行控制。
2 提升和回拉電機(jī)
2.1 工作原理。
吊斗鏟的提升和回拉同步電動(dòng)機(jī)具有 9 套三相對(duì)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(lì)磁繞組中的直流電流所產(chǎn)生的，提升和回拉電機(jī)是一臺(tái)三相 36 極的同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)該電機(jī)定子上的對(duì)稱三相繞組流過(guò)對(duì)稱三相電流時(shí)，就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)的調(diào)速。
吊斗鏟提升和回拉電機(jī)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(jī)的功率從而增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。恒轉(zhuǎn)速在每分鐘 14 轉(zhuǎn)，頻率為 4.2HZ 下進(jìn)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(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速提升時(shí)，它的轉(zhuǎn)矩變小。恒轉(zhuǎn)矩是在電機(jī)功率 12429KW 時(shí)進(jìn)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(jī)回路。
吊斗鏟提升和回拉電機(jī)回路有主回路、保護(hù)回路。
（1）吊斗鏟提升和回拉電機(jī)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(jī)的保護(hù)回路
吊斗鏟提升和回拉電機(jī)的保護(hù)回路有電流互感器和電壓互感器，它們將信號(hào)傳入 SIBAS 機(jī)架內(nèi)，當(dāng)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(jī)主回路。
參考文獻(xiàn)：
[1]吊斗鏟電氣圖紙、吊斗鏟維修手冊(cè)。
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