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矢量控制能量回馈高压变频器原理及在煤矿副井绞车中的运用

浏览次数: 日期:2007-12-24 15:21:16

摘要:介绍四象限运行高压变频器的矢量控制原理,在煤矿副井绞车中的运用,改造以及节能等效果。

关键词:高压变频器   煤矿  运用

 

一、运用背景

目前矿用交流提升机普遍使用绕线式电机转子串电阻调速控制系统。在减速和重物下放时能量通过转子电阻释放,能量不能回馈回电网,随着变频调速技术的发展,交-直-交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机中应用。HIVERT-YVF06/077大功率变频器是北京合康亿盛科技有限公司研发和生产的高压交流电机调速驱动装置。变频器采用先进成熟的低压变频技术,采用功率单元串联叠波、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、其系统工作原理如下:

 

二 矢量控制原理

HIVERT-YVF采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变,控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*,它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。

(1)、主回路

HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT。HIVERT变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。

主隔离变压器原边为Y型接法,直接与高压相接。 组数量依变频器电压等级及结构而定,6kV系列为18,延边三角形接法,为每个功率单元提供三相电源输入。输入侧隔离变压器二次线圈经过移相,为功率单元提供电源,对6KV而言相当于36脉冲不可控整流输入,消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,大大抑制了网侧谐波(尤其是低次谐波)的产生。

变频器输出是580VAC功率单元六个串联时产生3450V相电压,线电压6000V,输出Y接,中性点悬浮,得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。

(2)、功率单元

每个功率单元结构上完全一致,可以互换,HIVERT-YVF系列产品具备100%定额功率的能量回馈能力。

功率单元利用IGBT进行同步整流,同步整流控制器实时检测单元电网输入电压,利用锁相控制技术得到电网输入电压相位,控制整流逆变开关管Q1~Q6所构成的相位与电网电压的相位差,便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。以a相为例,若要控制a相电流正方向流动且幅值增大,必须使Q2导通,若要控制a相电流反方向流动且幅值减小,必须关断Q1,使电流通过Q2并联的续流二极管,当电机处于减速运行状态或负力提升时,由于负载惯性作用进入发电状态,其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电,使中间直流电压升高,电容器上的直流电压达到有源逆变起动的门槛电压时,自动起动有源逆变,这时逆变相位超前,功率单元将电机及其负载的机械能转化为电能,回馈到电网中去。  反之则电功率由电网注入功率单元,电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定,就同步整流而言,整流侧相当于一个稳压电源,与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。

单元逆变输出由Q7~Q10组成,采用矢量正弦波脉宽调制(PWM)方式,控制Q7~Q10IGBT的导通和关断,输出单相脉宽调制正弦波形。

(3)、控制系统

控制系统由控制器,IO板和人机界面组成。控制器由三块光纤板,一块信号板,一块主控板和一块电源板组成。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号,每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号,并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

信号板采集变频器的输出电压、电流信号和光电编码盘信号,并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护,以及提供给主控板数据采集。

主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据,提供变频器的状态参数,并可网络化控制。通过主控板和IO接口板通讯来的数据,计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数,并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接,通过RS485通讯口与IO接口板连接,实时监控变频器系统的状态。

 

三、设备改造方案及现场试验过程

1、设备改造方案:

现有设备情况: 改造前副井绞车的设备配置:焦作华飞全数字直流控制台一台,两台6kv, 630kw主电机,一用一备

(1)、设计利用原有操作台控制原有电控系统和现用的高压变频装置,利用一台开关柜可以切换新老系统;用另一台开关柜可以切换两台主电机,主控台主令手把控制的高速计数器产生的正反向脉冲数值量通过FX2N-4DA数摸转换为4—20mA电流信号,控制变频器的运行频率,主控台手把的正反向位置控制变频的正反向启动与停车。根据煤矿安全规程速度规定,我矿绞车等段速频率控制在46.66HZ。

(2)、变压变频器运行过程中的频率、电机电流、电压、各种轻重故障,通过与主控台PLC的通讯,在操作台上进行显示,方便司机与维修工监视绞车的运行状态与故障记忆。

(3)、我矿副井井筒罐道为组合罐道,绞车在正常停车位置启动后,罐笼从稳罐道脱离(稳罐道长度5米)后,进入组合罐道以及罐笼在井底从组合罐道脱离进入稳罐道时,衔接时如速度过高容易产生振动以及绞车在停车时,由于闸的空行程停车瞬间对绞车也容易产生振动。为避免上述情况采用方案如下:

通过操作台PLC编程控制FX2N-4DA输出,从而控制变频器在整个运行过程中的运行频率。在启动时前5米内频率自动控制为0.2Hz→2.7Hz速度为0.45m/s;加速段频率从2.7Hz—46.6Hz,速度从0.45m/s→7.66m/s,加速时间13秒;减速段频率从46.66Hz→2.7Hz,速度从7.66m/s降到0.45m/s,减速时间14秒,确保在距井底5米内速度降到0.45m/s,接近井口1米频率1.2Hz,速度降为0.2m/s。整个运行曲线如下:


通过以上偏移控制,绞车整体运行非常平稳。

2、现场负荷实验数据

(1)、2.3T负载数据:在罐笼上加一个2.3T中的重车,用控制台低速、半速、全速反复几次开车,记录输出电流和输出电压等参数

 (2)、4.6T负载数据:在罐笼上加两个2.3T中的重车,用控制台低速、半速、全速反复几次开车,记录输出电流和输出电压等参数

  


(3)、11T单钩提升负载数据:在罐笼上加两个2.3T中的罐车,用低速单钩提升的办法,来检验变频器最大输出转矩能否在最特殊的情况下提升。

 

(4)现场拍摄的速度图如下:


四、技术经济分析

我矿于2006年10月15日停产检修期间在副井安装了一套高压变频调速电控系统,现已改造完毕。该高压变频调速电控系统在我矿副井投入运行以来,不仅大大提高了副井系统的安全性和可靠性,速度曲线平稳,确保了副井提升机高质量运行,而且其技术性能达到国内领先水平,具有能量回馈电网功能,节能效果显著。原我矿副井使用交流电控系统每月平均用电量3.1万度,现使用高压变频调速电控系统每月平均用电量2.33万度,节电0.77万度,节电率为25%。该装置可应用于需要四象限反馈、动态响应快、低速运行转矩大等高精度场合。具有瞬时停电跟踪功能,实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动。低速输出转矩大,过载能力强,保护功能齐全,可靠性高,故障率低,维护方便等优点。由于采用了高压变频控制技术,整个运行过程平稳,无级调速,乘坐舒适,减少了机械的冲击,延长了设备使用寿命,产生了非常可观的经济及社会效益。

矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点,随着变频调速技术的日益成熟与能源节约要求的必然趋势,它正成为矿山提升机调速的发展方向。


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