ABB變頻器控制方式在煤礦電機(jī)車中的應(yīng)用

ABB變頻器控制方式在煤礦電機(jī)車中的運(yùn)用編輯：胡偉成摘要：本文主要引見了湖南四菱工控技術(shù)基于ACS800變頻器的DTC控制原理，結(jié)合煤礦或非煤礦電機(jī)車供電線路的特點(diǎn)，對(duì)煤礦井下架線式電機(jī)車的電控改造過程與效果，現(xiàn)實(shí)證明，ACS800變頻器的交流調(diào)速技術(shù)方案是架線式電機(jī)車電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案，抑制了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，調(diào)速精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中值得推行運(yùn)用。關(guān)鍵字：ACS800變頻器架線式電機(jī)車電控系統(tǒng)節(jié)能一、礦井電機(jī)車調(diào)速方式概略調(diào)速方式采用電阻調(diào)速和斬波脈沖調(diào)速1.電機(jī)車電阻調(diào)速系統(tǒng)在新星礦原來的電機(jī)車電控系統(tǒng)是采用湘潭韶力電機(jī)車廠消費(fèi)的直流電機(jī)車電阻調(diào)速電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)是經(jīng)過改動(dòng)電樞電壓的方式，由電阻降壓到達(dá)電機(jī)車轉(zhuǎn)速降低，電能一部份耗費(fèi)在電阻上，其切換是經(jīng)過調(diào)速手柄觸頭來實(shí)現(xiàn)的。2.斬波調(diào)速系統(tǒng)在電源與電機(jī)之間接入一個(gè)IGBT斬波調(diào)速器，它像通斷極快的高速開關(guān)，經(jīng)過改動(dòng)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短的比值即占空比，來改動(dòng)電機(jī)端平均電壓值，以到達(dá)調(diào)速的目的。二、變頻調(diào)速技術(shù)改造緣由及變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)〔一〕變頻調(diào)速改造緣由(1)直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)造復(fù)雜、造價(jià)高、耐潮性差，電樞和勵(lì)磁繞組經(jīng)常燒壞，缺點(diǎn)率高、維修量大，維修費(fèi)用高；(2)調(diào)速器維修量方面：電阻調(diào)速器由于凸輪控制觸頭的通與斷,斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧,經(jīng)常燒蝕觸頭；在需求低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，只需依托在零擋和一擋的頻繁切換來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常燒蝕觸頭；所以維修量很大。〔3〕調(diào)速性能方面：

①有級(jí)分檔調(diào)速,不能夠均勻調(diào)速,在低速行駛時(shí)司機(jī)需不停地在1檔和零檔轉(zhuǎn)換來獲得慢速運(yùn)轉(zhuǎn);②調(diào)速器只能加速,不能減速,減速是靠電制動(dòng)或手制動(dòng)來實(shí)現(xiàn);③直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨負(fù)載變化的,尤其是在下坡道運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),機(jī)車可以開得飛快,容易出事故;④不允許司機(jī)忽然加速,否那么損壞電機(jī)和調(diào)速器。(4)由于控制器接觸不良或接地，經(jīng)常呵斥單機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以及電氣制動(dòng)失靈，平安性能差；(5)電刷、換向器的磨損、燒蝕，刷架、刷盒的損壞，都將引起電樞換向器火花，呵斥接觸電阻增大，電路壓降大，電機(jī)牽引力矩減小，影響正常消費(fèi)；(6)在節(jié)能方面，由于直流調(diào)速器電機(jī)車帶有電阻器運(yùn)轉(zhuǎn),因此電能白白耗費(fèi)在電阻上,同時(shí)由于電阻發(fā)熱導(dǎo)致電阻瓷架和電阻片燒壞，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。(7)爬坡才干比較：直流電阻調(diào)速電機(jī)車只能在≤11‰的坡道上運(yùn)轉(zhuǎn),由于沒有零速制動(dòng)功能,在上坡停車時(shí)機(jī)車會(huì)向下坡方向溜車,此時(shí)想用手制動(dòng),是來不及的。從以上調(diào)速方法來看，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和平安消費(fèi)程度有很大的影響,在我礦井下現(xiàn)有的電機(jī)車電控系統(tǒng)缺點(diǎn)頻繁、維修量大、耗費(fèi)資料配件多而且費(fèi)用高，不能滿足現(xiàn)消費(fèi)需求。〔二〕變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)該變頻器調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1、三相交流異步電動(dòng)機(jī)無換向器，電機(jī)不容易燒壞；2、由于機(jī)車變頻器采用了DTC控制方式，使得機(jī)車起動(dòng)力矩大、起動(dòng)時(shí)間短，提高了礦山的消費(fèi)效率；3、起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作人員有溫馨感；起動(dòng)電流從零開場(chǎng)，最大值也不超越額定電流的1.5倍，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求；4、機(jī)車在運(yùn)轉(zhuǎn)中減速或剎車，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電形狀，經(jīng)過變頻器將電動(dòng)機(jī)所發(fā)出的電能向電網(wǎng)回饋供電，產(chǎn)生了良好的節(jié)電效果，普通情況下變頻機(jī)車與傳統(tǒng)機(jī)車相比，節(jié)電效果到達(dá)30～40﹪；5、機(jī)車在拉弓斷電或者在無電區(qū)的環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)經(jīng)過動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能使變頻器在一定時(shí)間內(nèi)仍能正常任務(wù)，所具有的有電制動(dòng)和無電制動(dòng)功能極大的提高了機(jī)車的可操控性和平安性。三、改造方案及要求井下主要運(yùn)輸設(shè)備的直流架線式電機(jī)車提出了特殊的要求：(1)為了降低改造費(fèi)用，縮短施工時(shí)間，改造后的電機(jī)車還是在250V的直流架線下任務(wù)，因此采用的交流變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)必需任務(wù)在由直流250V逆變成的三相變頻交流電下，電機(jī)的額定電壓為185V(UL=UD/1.35)。同時(shí)三相交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)座必需符合原來的安裝尺寸，對(duì)輪的尺寸和原來的一樣，可以直接互換安裝；(2)改造后的電機(jī)車的牽引力最低要到達(dá)22kN，以順應(yīng)井下彎道多及機(jī)車、礦車掉道時(shí)的牽引力矩；(3)在架線弓子瞬時(shí)斷電時(shí)，恢復(fù)后可以迅速起動(dòng)并堅(jiān)持原運(yùn)轉(zhuǎn)形狀；(4)改造后的電氣系統(tǒng)應(yīng)缺點(diǎn)率低，維修量少，可靠性高；(5)備件耗費(fèi)少，節(jié)約本錢，節(jié)約電能。四、變頻器控制方式1、U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式：其特點(diǎn)是控制電路構(gòu)造簡(jiǎn)單、本錢較低，機(jī)械特性硬度也較好，可以滿足普通傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩才干和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩呼應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研討出矢量控制變頻調(diào)速。2、電壓空間矢量(SVPWM)控制方式：它是以三相波形整體生效果果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)展控制的。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用后又有所改良，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；經(jīng)過反響估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)理，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。3、矢量控制(VC)方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、經(jīng)過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。然而在實(shí)踐運(yùn)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)踐的控制效果難以到達(dá)理想分析的結(jié)果。其本質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)展獨(dú)立控制。經(jīng)過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。4、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授初次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上處理了上述矢量控制的缺乏，并以新穎的控制思想、簡(jiǎn)約明了的系統(tǒng)構(gòu)造、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速開展。目前，該技術(shù)已勝利運(yùn)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需求將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因此省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需求模擬直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需求為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。五、改造系統(tǒng)的原理及效益分析改造系統(tǒng)的原理：1、系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)由以ABB公司ACS800為中心的變頻調(diào)速器取代原有的直流電阻調(diào)速系統(tǒng)和斬波脈沖調(diào)速系統(tǒng)，將直流電動(dòng)機(jī)改換為變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，整個(gè)安裝由一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，采用DTC控制方式?？刂葡到y(tǒng)由變頻器、司機(jī)控制器〔含電器儀表、信號(hào)指示燈等構(gòu)成〕、編程控制面板、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)方框圖2、系統(tǒng)任務(wù)原理及功能任務(wù)原理：當(dāng)機(jī)車導(dǎo)電弓接電后，合上自動(dòng)開關(guān)，由電抗器L和電容器C組成的LC濾波器對(duì)直流電壓進(jìn)展濾波，以抑制從電源到變頻器或變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的對(duì)電源側(cè)的高頻擾動(dòng)，它同時(shí)也可以改善變頻器的輸入電流波形。電機(jī)及運(yùn)用控制模塊基于微處置器軟件。微處置器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)、參數(shù)值和來自控制I/O模塊及司控器(控制面板)指令對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制。電機(jī)及運(yùn)用控制模塊用直接轉(zhuǎn)矩控制的方法向電機(jī)控制公用集成電路發(fā)出指令，該電路計(jì)算出IGBT開關(guān)位置，產(chǎn)生適宜的電壓空間矢量PWM脈沖，門極驅(qū)動(dòng)器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)展放大，用來驅(qū)動(dòng)IGBT逆變橋產(chǎn)生三相對(duì)稱電壓使電壓平穩(wěn)起動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)。節(jié)能性能：交流變頻調(diào)速電機(jī)車根據(jù)實(shí)踐需求，變化電機(jī)的電壓頻率值，實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，無外加電阻損耗，其節(jié)能性與電阻調(diào)速相比，將節(jié)能35％~50％以上，與斬波調(diào)速車相比節(jié)能20%~30%以上。每天按運(yùn)轉(zhuǎn)15h計(jì)算，電阻調(diào)速電機(jī)車需耗電462kW·h，交流變頻調(diào)速電機(jī)車只耗電192kW·h，因此交流變頻調(diào)速電機(jī)車1年節(jié)電57600kW·h，每度電按0.72元/度計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)41472元。配件資料消耗費(fèi)用：電阻調(diào)速和斬波調(diào)速電機(jī)車的調(diào)速是利用司控器上的調(diào)速凸輪控制觸點(diǎn)閉合來改動(dòng)外加電阻的阻值而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。因此觸頭經(jīng)常處在帶電分合的機(jī)械磨損形狀，按照閱歷，每一臺(tái)電機(jī)車的調(diào)速觸頭平均3個(gè)月改換一次屬于正常景象，每次改換需資料費(fèi)平均按1000元計(jì)算，因此交流變頻調(diào)速電機(jī)車1年觸頭備件耗費(fèi)觸頭資料費(fèi)用4000元；光電給定器3個(gè)月需改換2只，光電給定器價(jià)錢為887.2元/只，光電給定器1年消耗費(fèi)用7097元；輔助電源價(jià)錢為1161.2元/只，3個(gè)月需改換1只，其輔助電源1年消耗費(fèi)用為4645元；控制驅(qū)動(dòng)盒價(jià)錢為2150.68元/只，3個(gè)月需改換1只，控制驅(qū)動(dòng)盒1年消耗費(fèi)用為8602元，全年所耗費(fèi)以上常用配件資料費(fèi)用為24344元。采用變頻調(diào)速電控電機(jī)車那么每年比以上調(diào)速方式的電機(jī)車節(jié)約24344元。主牽引電機(jī)消耗費(fèi)用：直流電機(jī)電樞有易磨損的換向器、勵(lì)磁線圈、碳刷等，長(zhǎng)期延續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和處于高溫形狀下散熱性能差，絕緣老化快，缺點(diǎn)率高，維修費(fèi)用大。一臺(tái)電阻調(diào)速電機(jī)車1年耗費(fèi)在直流電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)費(fèi)用大約24000元，而交流變頻調(diào)速電機(jī)車電機(jī)采用交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)無需換向器、碳刷及維修電樞，可靠性高，定子散熱性好，價(jià)錢低廉，根本免維護(hù)。維修工時(shí)費(fèi)用：粗略計(jì)算〔按每年50周、4人參與檢修、4小時(shí)周檢、平均日薪70元。月檢可減少3人，〕每年檢修工時(shí)費(fèi)：50×3×70=10500元=1.05萬元電機(jī)車電控系統(tǒng)變頻改造后，大大降低了維修量，變頻器的月平均無缺點(diǎn)時(shí)間為20～30天，從而省去現(xiàn)有控制系統(tǒng)的周檢、月檢及停產(chǎn)檢修的維修工時(shí)費(fèi)。改造后的電機(jī)車1年節(jié)約總費(fèi)用＝41472＋24344＋24000＋10500＝100316元＝10萬元，按每年消費(fèi)11個(gè)月計(jì)算，平均每月節(jié)省費(fèi)用9119.6元。改造一臺(tái)機(jī)車需投入資金大約8.0萬元，估計(jì)1年可以收回全部投資。因此到達(dá)了高效、節(jié)能和減少企業(yè)支出的目的。同時(shí)，DTC變頻調(diào)速電機(jī)車采用的是高智能計(jì)算機(jī)工業(yè)控制模塊，并設(shè)有電機(jī)溫度自動(dòng)檢測(cè)及過流、過壓、缺相、接地、短路等維護(hù)功能，平安可靠，事故率低，經(jīng)久耐用，運(yùn)轉(zhuǎn)本錢及維護(hù)量小，為企業(yè)博得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得大力推行。新星煤礦井下電機(jī)車電控系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速以后，調(diào)速精度高，噪聲污染消逝，操作也方便，深受現(xiàn)場(chǎng)操作工的歡迎；更重要的是電機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，在無電區(qū)也能運(yùn)轉(zhuǎn)，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。從目前各種不同的技術(shù)改造方案對(duì)比來看，牽引電機(jī)變頻器的交流調(diào)速技術(shù)方案是電機(jī)車電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。牽引電機(jī)變頻器的架線式直流電機(jī)車調(diào)速技術(shù)的新型電控系統(tǒng)已勝利地運(yùn)用于礦井運(yùn)輸設(shè)備中，并獲得了較好的運(yùn)轉(zhuǎn)閱歷，抑制了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，在礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中值得推行運(yùn)用。六、運(yùn)轉(zhuǎn)情況1〕新調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化程度高、轉(zhuǎn)向手柄和調(diào)速手柄操作簡(jiǎn)單，降低了司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度；運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低。2〕實(shí)現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速控制，加速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，調(diào)速延續(xù)方便。低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無抖動(dòng)。3〕拖動(dòng)力矩大，電氣制動(dòng)平穩(wěn)，制動(dòng)停車準(zhǔn)確度高。將能量回饋電網(wǎng)，節(jié)約能源，根據(jù)實(shí)測(cè)節(jié)電到達(dá)30%以上。減少機(jī)械的沖擊和振動(dòng)，機(jī)車本體、零部件的維修少，改換周期延伸，延伸了設(shè)備的運(yùn)用壽命。4〕司機(jī)控制器的維修量大大降低〔原來司控器主觸點(diǎn)串入主回路，觸點(diǎn)燒壞景象嚴(yán)重，有時(shí)電弧起火呵斥司機(jī)灼傷〕，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)、無級(jí)調(diào)速。5〕變頻控制系統(tǒng)的司控器所占空間小，方便司機(jī)操作，機(jī)車啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，制動(dòng)快速，表達(dá)人本主義。七、結(jié)論該牽引電機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、維護(hù)任務(wù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在新星煤礦井下架線式電機(jī)車投入運(yùn)轉(zhuǎn)以來，極大地提高了電機(jī)車運(yùn)輸系統(tǒng)的平安性和可靠性，確保了架線式電機(jī)高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)