王棟

(神華準能設備維修中心吊斗鏟車間,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

AFE原理及在吊斗鏟的應用

王棟

(神華準能設備維修中心吊斗鏟車間,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

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備,它采用了無齒輪傳動和邁步式行走。設備的總重量大約為500噸,大臂長度為109.7米,工作半徑大約110米,挖掘深度和卸料高度分別是71米和45米。如此龐大的設備也擁有先進的電氣技術,其中變頻單元的AFE系統(tǒng)是由西門子公司提供的。目前來說,它是世界領先的技術,針對吊斗鏟的AFE系統(tǒng)及控制單元進行分析。

吊斗鏟 AFE PWM整流器 SIBAS

AFE是PWM整流器,PWM整流器是應用脈寬調(diào)制技術發(fā)展起來的一種新型電源變流器。其基本原理是通過控制功率開關管的通斷狀態(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 AFE的特點

①有源可控的IGBT。②AFE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,負載可以在四象限運行,實現(xiàn)能量回饋,提高能源效率。④直流母線電壓與電網(wǎng)電壓無關,使系統(tǒng)得到最佳利用,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)。⑥AFE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。

2 AFE系統(tǒng)的組成

AFE系統(tǒng)由AFE電抗器、AFE預充電回路和AFE(整流/回饋)單元組成。

2.1 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：①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。②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。③可以使AFE具有Boost特性。④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。⑤回饋電壓通過電抗器融入電網(wǎng)。

2.2 AFE預充電回路

(1)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,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。

(2)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)。整流橋輸入側(cè)的電壓是500VAC,所以單個整流橋輸出的直流電壓接近1．35×500=675VDC,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。

圖1

2.3 AFE預充電回路順序

①送電。由PLC程序控制預充電接觸器工作。②充電。預充電接觸器閉合后,通過預充電回路向直流母線充電。③得電。直流母線得電,直流母線預充電電電壓設定值是1280VDC。④切電。當直流母線電壓達到1280VDC時,PLC程序控制預充電接觸器斷電,預充電過程結束。

3 AFE單元

3.1 吊斗鏟AFE單元結構

吊斗鏟AFE單元在結構上和普通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。它們模塊是獨立結構,而且可以通用。

3.2 AFE的工作原理

在AFE預充電結束后,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1)：

當交流電在正半軸時,初始狀態(tài)所有的開關打開,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1800VDC。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,各機構電動機制動時所需的能量通過公用直流母線在逆變器間自動分配,多余能量通過整流回饋返回電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓瞬時跌落在升壓運行中將被橋接而不會改變直流母線電壓值。

4 AFE的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。

5 AFE的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。

6 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,SI—Siemens,B—Train,A—Automation,S—System。

(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,讀取外部開關量輸入信號,電壓等級是24VDC。Binary Outputs,輸出開關量信號,電壓等級是24VDC。一部分是將開關量信號傳入PLC,一部分用于外部的控制。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。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。

(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40mA的電流信號控制IGBT的通斷。

(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 Measuring Amplifier。UWS用于保護,SIP用于控制,Out Measuring Amplifier用于外部測試。

(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。

[1]變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設計與維護.山東科學技術出版社,2005年3月.

[2]SPWM變頻調(diào)速應用技術.機械工業(yè)出版社,1997年12月.

[3]Siemens Active Front Operation,Siemens Industry Inc.2010年.