可控硅无环流交一交变频拖动系统的应用

1．引言 矿井提升机大量使用的交流拖动方式，其拖动电机都是绕线式异步电动机，通过改变转子回路串接的金属电阻来实现电动机转速的调节。显然，这种调速方案是有级调速，而且调速时的转差功率都消耗在转子电阻上，能耗大、效率低。由于在同步速以下电动机无法产生制动力矩，因此，必须采用其它方式(动力制动或低频制动)来完成矿井提升机减速阶段的电气制动。从这种交流拖动方式的特点可以看到，系统在整个运行过程中，其性能受负载的影响较大，调速性能差，特别是在减速与爬行阶段尤为严重。负载重则减速快，使爬行距离加长，提升循环时间增加;负载轻则减速慢，在设计的减速距离内速度降不到爬行速度，容易造成过速过重等严重后果。 随着电力电子技术、变频技术和微型计算机控制技术的迅猛发展，电气传动技术进入了一个新的阶段。特别是矢量控制技术的出现，使得交流传动系统领导了电气传动的潮流。矿井交流提升机低频拖动装置的性能好坏，直接影响煤矿的生产和安全。因此，从矿井交流提升机的实际情况和控制技术的发展来看，为获得恒减速制动和稳定的爬行，研制开发高可靠性、功能完善、调速性能好的全数字无环流交一交变频低频拖动装置是非常必要的。 2．交一交变频电路的工作原理 交-交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变流电路，交一交变频电路也叫周波变流器(cyclo converter)。其特点为: (1) 因为是直接变换，故比一般的变频器有更高的效率;某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多的时候，输出波形较好; (3 )变 频 器按电网电压过零自然换相，可采用变通晶闸管; (4 )因 电 路构成方式的特点，所用晶闸管元件数量较多; (5) 功 率 因数较低，特别在低速运行时更低，需要适当补偿。 2.1 交一交变频器的控制方法及特点 交-交变频器的控制方式可以分为两大类：电流控制型和电压控制型交一交变频器。 电压控制型变频器的输出是电压源，其输出电压跟随给定信号变化，受负载电流变化影响小。电流控制型变频器的输出是电流源，其输出电流跟随给定信号变化，受负载电压的变化影响小。 电流控制可以方便地实现电流保护。新型电流控制电路将交流电流的幅值和相位分开来进行控制，用电流的幅值和相位作为控制的给定值。由于幅值和相位都是直流量，且相互独立，因而可以采用比例、积分调节器，故能够达到较好的电流控制效果，如图1，它克服了早期的电流控制型电路电流调节器只能采用比例调节器的一些缺点，减小了给定与反馈之间总存在的固有误差，使得实际电流可以很好的跟随给定电流。 2.2 无环流交一交变频器换向的实现方法 不论是电压型还是电流型控制的无环流交一交变频器，任何时刻只能有一组变流器有触发脉冲，而另一组变流器的触发脉冲被封锁。正、反组变流器换组时都必须在主电路电流为零时，而且中间有一段时间两组变流器的触发脉冲都被封锁，以确保换组可靠进行，否则将会造成电源短路。因此，实际的零电流一定要准确可靠地检测出来，这关系到换向的死区长短，以及换向的可靠性。零电流检测方法主要有交流电流互感器检测法、交/直流传感器检测法(LEM传感器)、串联二极管检测法、晶闸管端电压检测法等。综合考虑这几种方法，本控制系统采用了晶闸管端电压检测法，它是基于测量变频器中每个桥臂的晶闸管压降 ，晶 闸管导通时管压降很低，接近于零，关断时管压降较高，为电源电压，如果一个桥中3个臂的管压降均不为零，则表示“零电流”状态，只要有一个臂的管压降等于零，就是“有电流”状态。由此可以较准确地判断出零电流的时刻。该方法具有快速、简单、可靠、准确的优点，是一种理想的零电流检测方法。 3．可控硅无环流交一交低频装里改造 该装 置 按 功能可分为五个部分:主回路;信号回路;计算机及脉冲通道;直流电源回路;辅助回路 3. 1 主回路部分: 主回路 是 由三个三相半波整流电路，构成一个输出三相低频的电路，如图2所示。 其中每个三相半波整流电路称为低频输出相，用AD(或BD,或CD)表示;共阳级的三只可控硅整流元件称为负组，用AD- (BD一或CD-)表示，用三个三相全波电路可构成三相全波变频电路，但所用可控硅元件多，电路本身要求三相负载互相独立。即电动机绕组的中心点要打开，由三相全波电路分别供电。这样，会给控制上造成很多麻烦，要增加开关设备。如果三相负载不独立，则要求有三相独立的50H2电源分别给三相负载供电，这样使电源复杂化了。鉴于上述情况，所以选用三相半波电路，而且三相半波电路完全可以满足条件。可以看出。可控硅SCRI -SCR6分别组成低频相AD+和AD一、SCR7一SCR12组成低频相CD+和CD 一。AD+ 和AD 一、BD+ 和BI)一、CD+和CD一分别接在一组生铁电阻的两端，再从电阻的中间位置，分别引出我们所需要的三相低频相AD、BD、CD。这三箱生铁电阻的阻值分别为0. 4 dZ左右，其作用主要是在该低频系统出现故障时限制故障中电流数值，从而达到保护可控硅免受过流击穿。 3.2 信号回路部分: 信号回路 由四部分组成，它们分别是外部逻辑信号回路，速度闭环调节回路，负荷测量回路，同步信号回路。其中外部逻辑信号回路，根据绞车运行的要求，决定该低频系统在各段时间内的工作方式，以及各个不同工作方式之间的转换。速度闭环调节器回路，完成该系统在动力制动阶段和低频拖动阶段的动态调节，使该系统始终按要求给定的速度曲线运行;负荷测量回路主要是为低频拖动阶段服务的。在绞车匀速运行时，该回路检测定子电流的值，并把定子电流的大小以相应的电压形式反映出来，再根据此电压值的高低，为该低频系统可控硅的触发，提供一个起始命令。 3.3 计算机及脉冲通道: 计算机 单元的系统组成为:CPU 由Intel8751担任;AD锁存器为74LS373;程序存储器是2764(8k字节);A/D转换为ADC0809;分频器为74LS74。当提升机切除高压进入制动阶段，输入端1口得到同步触发信号，计算机首先从ADC0809的B口读取负荷测量单元的输出值，并保存起来作为拖动时选表的依据。当提升机为爬行阶段，同样由外部中断输入口。被触发，申请中断，计算机便进入爬行输出。脉冲放大电路是脉冲通道的中间环节，脉冲放大电路将来自计算机触发脉冲信号，进行光电隔离后，放大、整形。经过隔离放大的脉冲信号，再经过脉冲变压器的作用及隔离，形成触等脉冲信号，控制可控硅的导通和关断。 3.4 抗干扰性: 该系统 主要应用于矿井交流提升机现场，由于生产负荷的变化，大电机启、停频繁，从而造成电源波动大，系统硬件抗干扰主要措施是电源采用了隔离、滤波和屏蔽等技术。在传输线路上，先把模拟信号线、数字线以及电源线分开，尽量避免并行敷设，且留有间距。信号线都采用双绞屏蔽线，而且屏蔽线进行良好接地。软件上对一些信号进行数字滤波，并编制了“看门狗”等常用的软件抗干扰技术，从而使系统运行安全、可靠。 4．结束语 改善矿井交流提升机的性能，提高矿井提升的自动化水平，是每个拥有这种装备的矿井所迫切要解决的问题。本文就是从这一实际出发，以矿井交流提升机为研究对象，详细分析了矿井交流提升机减速段的制动特点，指出采用交一交变频低频拖动方式是实现矿井交流提升机减速段控制的最佳方案。该系统的控制部分全部由多CPU组成的计算机系统实现。计算机系统的硬件采用大板结构，避免了接插件的使用，提高了系统的可靠性，而且维修、更换方便。设计的零电流检测电路可靠、准确地实现了无环流换向。所编制的计算机软件正确无误地实现了各项功能，特别是考虑了触发脉冲数字实现的特殊间题(换向时丢脉冲现象)之后，有效地缩短了无环流换向的时间。研制的低频拖动装置已经在现场投入运行，所有的功能均达到设计要求。实现了恒减速制动，缩短了爬行时间，提高了提升机的提升能力，改善了矿井交流提升机的性能，并取得了明显的经济和社会效益。现场运行结果表明，装置具有很好的可靠性和杭干扰能力。