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1、 ABB变频器控制方式在煤矿电机车中的应用 编辑 胡伟成 1 摘要 本文主要介绍了湖南四菱工控技术有限公司基于ACS800变频器的DTC控制原理 结合煤矿或非煤矿电机车供电线路的特点 对煤矿井下架线式电机车的电控改造过程与效果 事实证明 ACS800变频器的交流调速技术方案是架线式电机车电控系统改造的优选方案 克服了传统电控系统的缺陷 调速精度高 运行可靠 而且节电效果显著 具有非常明显的经济效益和社会效益 在矿井运输系统中值得推广应用 关键字 ACS800变频器架线式电机车电控系统节能 2 一 矿井电机车调速方式概况 调速方式采用电阻调速和斩波脉冲调速 1 电机车电阻调速系统在新星矿原来的电
2、机车电控系统是采用湘潭韶力电机车厂生产的直流电机车电阻调速电控系统 该电控系统是通过改变电枢电压的方式 由电阻降压达到电机车转速降低 电能一部份消耗在电阻上 其切换是通过调速手柄触头来实现的 3 2 斩波调速系统在电源与电机之间接入一个IGBT斩波调速器 它像通断极快的高速开关 通过改变导通和关断时间的长短的比值即占空比 来改变电机端平均电压值 以达到调速的目的 二 变频调速技术改造原因及变频调速的优点 一 变频调速改造原因 1 直流电动机结构复杂 造价高 耐潮性差 电枢和励磁绕组经常烧坏 故障率高 维修量大 维修费用高 4 2 调速器维修量方面 电阻调速器由于凸轮控制触头的通与断 断开时产生
3、的电弧 经常烧蚀触头 在需要低速运行时 只有依靠在零挡和一挡的频繁切换来实现 经常烧蚀触头 所以维修量很大 3 调速性能方面 有级分档调速 不可能均匀调速 在低速行驶时司机需不停地在1档和零档转换来获得慢速运行 调速器只能加速 不能减速 减速是靠电制动或手制动来实现 直流电机的转速是随负载变化的 尤其是在下坡道运行时 机车可以开得飞快 容易出事故 不允许司机突然加速 否则损坏电机和调速器 5 4 由于控制器接触不良或接地 经常造成单机运行以及电气制动失灵 安全性能差 5 电刷 换向器的磨损 烧蚀 刷架 刷盒的损坏 都将引起电枢换向器火花 造成接触电阻增大 电路压降大 电机牵引力矩减小 影响正常
4、生产 6 在节能方面 由于直流调速器电机车带有电阻器运行 因此电能白白消耗在电阻上 同时由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片烧坏 电能浪费严重 7 爬坡能力比较 直流电阻调速电机车只能在 11 的坡道上运行 由于没有零速制动功能 在上坡停车时机车会向下坡方向溜车 此时想用手制动 是来不及的 6 从以上调速方法来看 对企业经济效益和安全生产水平有很大的影响 在我矿井下现有的电机车电控系统故障频繁 维修量大 消耗材料配件多而且费用高 不能满足现生产需要 二 变频调速优点 该变频器调速系统与传统的调速系统相比 具有以下显著优点 7 1 三相交流异步电动机无换向器 电机不容易烧坏 2 由于机车变频器采用了
5、DTC控制方式 使得机车起动力矩大 起动时间短 提高了矿山的生产效率 3 起动运行平稳 操作人员有舒适感 起动电流从零开始 最大值也不超过额定电流的1 5倍 减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求 8 4 机车在运行中减速或刹车 使电动机处于发电状态 通过变频器将电动机所发出的电能向电网回馈供电 产生了良好的节电效果 一般情况下变频机车与传统机车相比 节电效果达到30 40 5 机车在拉弓断电或者在无电区的环境下运行时 电机通过动能转换成电能使变频器在一定时间内仍能正常工作 所具有的有电制动和无电制动功能极大的提高了机车的可操控性和安全性 9 三 改造方案及要求 井下主要运输设备的直流架线式电机
6、车提出了特殊的要求 1 为了降低改造费用 缩短施工时间 改造后的电机车还是在250V的直流架线下工作 因而采用的交流变频调速异步电动机必须工作在由直流250V逆变成的三相变频交流电下 电机的额定电压为185V UL UD 1 35 同时三相交流电动机的机座必须符合原来的安装尺寸 对轮的尺寸和原来的一样 可以直接互换安装 10 2 改造后的电机车的牵引力最低要达到22kN 以适应井下弯道多及机车 矿车掉道时的牵引力矩 3 在架线弓子瞬时断电时 恢复后能够迅速起动并保持原运行状态 4 改造后的电气系统应故障率低 维修量少 可靠性高 5 备件消耗少 节约成本 节约电能 11 四 变频器控制方式 1
7、U f C的正弦脉宽调制 SPWM 控制方式 其特点是控制电路结构简单 成本较低 机械特性硬度也较好 能够满足一般传动的平滑调速要求 但是 这种控制方式在低频时 由于输出电压较低 转矩受定子电阻压降的影响比较显著 使输出最大转矩减小 另外 其机械特性终究没有直流电动机硬 动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意 且系统性能不高 控制曲线会随负载的变化而变化 转矩响应慢 电机转矩利用率不高 低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降 稳定性变差等 因此人们又研究出矢量控制变频调速 12 2 电压空间矢量 SVPWM 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提 以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁
8、场轨迹为目的 一次生成三相调制波形 以内切多边形逼近圆的方式进行控制的 经实践使用后又有所改进 即引入频率补偿 能消除速度控制的误差 通过反馈估算磁链幅值 消除低速时定子电阻的影响 将输出电压 电流闭环 以提高动态的精度和稳定度 但控制电路环节较多 且没有引入转矩的调节 所以系统性能没有得到根本改善 13 3 矢量控制 VC 方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia Ib Ic 通过三相 二相变换 等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1 再通过按转子磁场定向旋转变换 等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1 It1 Im1相当于直流电动机的励磁电流 It1相当
9、于与转矩成正比的电枢电流 然后模仿直流电动机的控制方法 求得直流电动机的控制量 经过相应的坐标反变换 实现对异步电动机的控制 14 然而在实际应用中 由于转子磁链难以准确观测 系统特性受电动机参数的影响较大 且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂 使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果 其实质是将交流电动机等效为直流电动机 分别对速度 磁场两个分量进行独立控制 通过控制转子磁链 然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量 经坐标变换 实现正交或解耦控制 矢量控制方法的提出具有划时代的意义 15 4 直接转矩控制 DTC 方式 1985年 德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提
10、出了直接转矩控制变频技术 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足 并以新颖的控制思想 简洁明了的系统结构 优良的动静态性能得到了迅速发展 目前 该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型 控制电动机的磁链和转矩 它不需要将交流电动机等效为直流电动机 因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算 它不需要模仿直流电动机的控制 也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型 16 五 改造系统的原理及效益分析 改造系统的原理 1 系统构成 系统由以ABB公司ACS800为核心的变频调速器取代原有的直流电阻调速系统和斩波脉冲调速系统 将直流电动机
11、更换为变频调速三相异步电动机 整个装置由一台变频器驱动两台电动机 采用DTC控制方式 控制系统由变频器 司机控制器 含电器仪表 信号指示灯等构成 编程控制面板 制动单元和制动电阻组成 系统方框图如图1所示 17 图1系统方框图 2 系统工作原理及功能 18 19 工作原理 当机车导电弓接电后 合上自动开关 由电抗器L和电容器C组成的LC滤波器对直流电压进行滤波 以抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动 它同时也可以改善变频器的输入电流波形 电机及应用控制模块基于微处理器软件 微处理器根据检测信号 参数值和来自控制I O模块及司控器 控制面板 指令对电机进行控制 20 电机及应用
12、控制模块用直接转矩控制的方法向电机控制专用集成电路发出指令 该电路计算出IGBT开关位置 产生合适的电压空间矢量PWM脉冲 门极驱动器对这些信号进行放大 用来驱动IGBT逆变桥产生三相对称电压使电压平稳起动 运行 21 节能性能 交流变频调速电机车根据实际需要 变化电机的电压频率值 实现调速控制 无外加电阻损耗 其节能性与电阻调速相比 将节能35 50 以上 与斩波调速车相比节能20 30 以上 每天按运行15h计算 电阻调速电机车需耗电462kW h 交流变频调速电机车只耗电192kW h 因而交流变频调速电机车1年节电57600kW h 每度电按0 72元 度计算 可节约电费41472元
13、22 配件材料消耗费用 电阻调速和斩波调速电机车的调速是利用司控器上的调速凸轮控制触点闭合来改变外加电阻的阻值而实现调压 因此触头经常处在带电分合的机械磨损状态 依照经验 每一台电机车的调速触头平均3个月更换一次属于正常现象 每次更换需材料费平均按1000元计算 因此交流变频调速电机车1年触头备件消耗触头材料费用4000元 23 光电给定器3个月需更换2只 光电给定器价格为887 2元 只 光电给定器1年消耗费用7097元 辅助电源价格为1161 2元 只 3个月需更换1只 其辅助电源1年消耗费用为4645元 控制驱动盒价格为2150 68元 只 3个月需更换1只 控制驱动盒1年消耗费用为86
14、02元 全年所消耗以上常用配件材料费用为24344元 采用变频调速电控电机车则每年比以上调速方式的电机车节约24344元 24 主牵引电机消耗费用 直流电机电枢有易磨损的换向器 励磁线圈 碳刷等 长期连续运转和处于高温状态下散热性能差 绝缘老化快 故障率高 维修费用大 一台电阻调速电机车1年消耗在直流电动机的各项费用大约24000元 而交流变频调速电机车电机采用交流变频调速电动机无需换向器 碳刷及维修电枢 可靠性高 定子散热性好 价格低廉 基本免维护 25 维修工时费用 粗略计算 按每年50周 4人参加检修 4小时周检 平均日薪70元 月检可减少3人 每年检修工时费 50 3 70 10500
15、元 1 05万元 电机车电控系统变频改造后 大大降低了维修量 变频器的月平均无故障时间为20 30天 从而省去现有控制系统的周检 月检及停产检修的维修工时费 26 改造后的电机车1年节约总费用 41472 24344 24000 10500 100316元 10万元 按每年生产11个月计算 平均每月节省费用9119 6元 改造一台机车需投入资金大约8 0万元 预计1年可以收回全部投资 27 因而达到了高效 节能和减少企业支出的目的 同时 DTC变频调速电机车采用的是高智能计算机工业控制模块 并设有电机温度自动检测及过流 过压 缺相 接地 短路等保护功能 安全可靠 事故率低 经久耐用 运行成本及
16、维护量小 为企业赢得了良好的经济效益和社会效益 值得大力推广 新星煤矿井下电机车电控系统采用变频器调速以后 调速精度高 噪声污染消失 操作也方便 深受现场操作工的欢迎 更重要的是电机车运行可靠 在无电区也能运行 而且节电效果显著 具有非常明显的经济效益和社会效益 28 从目前各种不同的技术改造方案对比来看 牵引电机变频器的交流调速技术方案是电机车电控系统改造的优选方案 牵引电机变频器的架线式直流电机车调速技术的新型电控系统已成功地应用于矿井运输设备中 并取得了较好的运行经验 克服了传统电控系统的缺陷 在矿井运输系统中值得推广应用 六 运行状况 1 新调速系统的自动化程度高 转向手柄和调速手柄操作简单 降低了司机劳动强度和操作难度 运行噪声低 29 2 实现提升全过程变频调速控制 加速运行平稳 调速连续方便 低速运行平稳 无抖动 3 拖动力矩大 电气制动平稳 制动停车准确度高 将能量回馈电网 节约能源 根据实测节电达到30 以上 减少机械的冲击和振动 机车本体 零部件的维修少 更换周期延长 延长了设备的使用寿命 4 司机控制器的维修量大大降低 原来司控器主触点串入主回路 触点烧坏现象严重
