蘇 元

(山西蘭花集團(tuán) 東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048400)

0 引言

解決能源危機(jī)是21世紀(jì)最重要的課題之一，對(duì)于煤炭等礦山企業(yè)，節(jié)能也是提高企業(yè)生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。礦用帶式輸送機(jī)采用永磁同步電機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)，其功率大，能源利用率低，企業(yè)每年支出大量電費(fèi)。本文研究了一種三電平變頻器拖動(dòng)的礦用帶式輸送機(jī)用永磁同步電機(jī)控制器，設(shè)計(jì)的控制器能夠提高電機(jī)的運(yùn)行效率，減少電能消耗。

1 帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述

1.1 三電平變頻器

帶式輸送機(jī)的作用是將變頻器提供的電能轉(zhuǎn)化為將煤從低處運(yùn)輸?shù)礁咛幍臋C(jī)械能，因此變頻器工作在兩象限模式，通過(guò)移相變壓器從井下高爆開(kāi)關(guān)取電，經(jīng)過(guò)快速熔斷器，將三相交流電輸送給整流單元，通過(guò)整流單元將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)直流母線電容濾波后得到直流母線電壓，再通過(guò)逆變單元將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率可變的三相交流電，供永磁同步電機(jī)使用。三電平變頻器主電路如圖1所示。

圖1 三電平變頻器主電路

1.2 永磁同步電機(jī)

與其他類(lèi)型的交流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的定子并無(wú)特殊之處，其主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子行程的磁鏈?zhǔn)枪潭ǖ摹８鶕?jù)永磁體布置在轉(zhuǎn)子的位置不同，永磁同步電機(jī)分為內(nèi)埋式和表貼式，由于帶式輸送機(jī)功率較大，因此多采用抗去磁能力更強(qiáng)的內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)。

1.3 礦用帶式輸送機(jī)

本文研究的礦用帶式輸送機(jī)采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與滾筒直接相連，無(wú)需配置減速器，其傳動(dòng)系統(tǒng)的效率和可靠性較高。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸帶動(dòng)滾筒定向旋轉(zhuǎn)，滾筒帶動(dòng)皮帶定向前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)于運(yùn)輸距離較大的帶式輸送機(jī)，需要多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)滾筒，包括驅(qū)動(dòng)滾筒、機(jī)尾換向滾筒和改向滾筒。礦用帶式輸送機(jī)要求在滿(mǎn)載時(shí)能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，因此要求變頻器的啟動(dòng)加速度限制在一定范圍內(nèi)，且能夠識(shí)別是否過(guò)載。帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度曲線一般為“S”型。

2 三電平變頻器硬件設(shè)計(jì)

2.1 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

變頻器額定功率選擇為1 000 kW,考慮煤炭行業(yè)額定電壓等級(jí)10 kV和直流母線1 800 V的情況，供電變壓器采用兩臺(tái)容量1 000 kVA的10 kV/660 V移向變壓器。變頻器主電路如圖1所示，由于整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，且未采取任何電流互感器進(jìn)行軟件保護(hù)，因此采用交流側(cè)1 000 V/750 A的快速熔斷器進(jìn)行電流保護(hù)。經(jīng)計(jì)算樣機(jī)額定容量為510 A，考慮1.5倍～2倍過(guò)載運(yùn)行裕度，整流二極管的額定電壓選擇為1 600 V，額定電流為400 A。逆變模塊的IGBT額定電壓為1 700 V，額定電流為1 400 A。根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)范圍10%～15%，直流側(cè)電容值選擇為15 000 uF。

2.2 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，以TI公司生產(chǎn)的DSPTMS320F2812為核心，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)外圍信號(hào)的處理，CPLD負(fù)責(zé)逆變器故障時(shí)封鎖脈沖驅(qū)動(dòng)，以保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。模擬信號(hào)經(jīng)FPGA處理后，發(fā)送給DSP，經(jīng)DSP運(yùn)算后得到PWM脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)CPLD橋發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)IGBT的開(kāi)關(guān)控制。該控制器具有較高的集成度，除了3個(gè)控制芯片需要供電外，外圍器件和各類(lèi)控制器件均需要配置不同電壓等級(jí)的電源。電源的輸入電壓為24 V，這樣的設(shè)計(jì)可以保證硬件板卡不受電源擾動(dòng)影響，更加穩(wěn)定。后級(jí)的各類(lèi)型電源經(jīng)過(guò)不同DC/DC變換器得到，并加以MEC電路對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。

圖2 控制器硬件系統(tǒng)框圖

2.3 信號(hào)采集調(diào)理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要采集的信號(hào)包括直流母線電壓、逆變器輸出三相電流，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理后，輸送到ADC模塊進(jìn)一步進(jìn)行軟件處理。模擬信號(hào)的處理包括二級(jí)運(yùn)算放大器濾波和信號(hào)增強(qiáng)，具體電路圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集調(diào)理電路

2.4 其他控制電路

其他控制電路包括電源系統(tǒng)EMC電路和IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)電路。由于AD端口只能接收正電壓，且其安全電壓較低，因此必須設(shè)計(jì)兩級(jí)運(yùn)放引入標(biāo)準(zhǔn)抬升電壓，將未經(jīng)處理的模擬信號(hào)濾波處理后，發(fā)送給AD芯片端口輸入端。PWM脈沖電路是控制電路的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是關(guān)系到逆變器能否安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，PWM口脈沖占空比的改變通過(guò)修改事件管理器CMR值實(shí)現(xiàn)，圖4為IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)電路。

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖觸發(fā)電路

3 帶式輸送機(jī)直驅(qū)調(diào)速試驗(yàn)

樣機(jī)的各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)了對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)系統(tǒng)連接如圖5所示。通過(guò)調(diào)壓器從10 kV電源取電，分別經(jīng)過(guò)1號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓柜和2號(hào)負(fù)載高壓柜，1號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓柜經(jīng)過(guò)變壓器將10 kV電壓轉(zhuǎn)換為660 kV，經(jīng)開(kāi)關(guān)柜送給變頻器供電。2號(hào)負(fù)載高壓柜經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為1 140 V電源，再經(jīng)電抗器送給開(kāi)關(guān)柜，開(kāi)關(guān)柜給負(fù)載變頻器供電。負(fù)載變頻器為容量1 MW的四象限運(yùn)行變頻器，能夠滿(mǎn)足模擬電機(jī)能量回饋的工況要求。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)連接示意圖

圖6給出了對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)的軟件主程序流程和主中斷流程。主程序開(kāi)始后進(jìn)行系統(tǒng)初始化和I/O初始化，然后清除所有中斷，中斷向量表初始化，配置各種外設(shè)，變量初始化后打開(kāi)中斷，等待DA輸出或保護(hù)等中斷請(qǐng)求。主中斷請(qǐng)求命令響應(yīng)后，開(kāi)始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將外部采樣信號(hào)換算成為標(biāo)幺值，保護(hù)程序可根據(jù)電流或電壓值進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，一旦電壓電流產(chǎn)生異常則發(fā)出停機(jī)信號(hào)。狀態(tài)機(jī)程序判斷出系統(tǒng)的狀態(tài)后，如正常運(yùn)行狀態(tài)，則開(kāi)始執(zhí)行無(wú)速度矢量控制算法。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程

圖7給出了對(duì)拖試驗(yàn)的波形圖，其中Uc1、Uc2分別為電容C1、C2的電壓，ia為A相電流，Uao為A相相電壓，k為零矢量分配因子，低電平數(shù)值為-1，高電平數(shù)值為1，通過(guò)A相電壓波形可以看出母線減少了開(kāi)關(guān)損耗。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：變頻器輸出電流正弦度較好，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。圖中中點(diǎn)電位的低頻脈動(dòng)是由連續(xù)鉗位引起的。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，永磁同步電機(jī)的各項(xiàng)電氣性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況。

圖7 對(duì)拖試驗(yàn)的波形圖

4 結(jié)論

以礦用帶式輸送機(jī)用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種高效率、高可靠性的三電平防爆變頻器，重點(diǎn)介紹了變頻器主電路設(shè)計(jì)選型和控制器的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室對(duì)拖試驗(yàn)。從對(duì)拖試驗(yàn)的波形圖可知，三電平變頻器輸出的電流波形正弦度較高，諧波含量小，驗(yàn)證了控制器的各項(xiàng)電氣指標(biāo)，對(duì)大功率礦用帶式輸送機(jī)電驅(qū)改進(jìn)技術(shù)具有重要意義。