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1、采煤机变频器技术交流2011-12-05 交流调速系统概况交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之 一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以 及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。二十世纪50年代末开始，电气传动领域中进行着一场 重要的技术革命将原来只用于恒速传动的交流电动机实 现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直 流电动机。进入二十世纪七十年代后，当现代控制理论、新型大 功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控 制技术等在实际应用中相继取得了重要进展的时候，才为 交流电动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础。一、 变频原理 1、 变频的作用 对
2、交流异步电动机进行调速 交流异步电机的转速公式为:n=（1-S）n1=(1-S)60f1/P其中: f1: 定子供电电源频率P: 定子绕组极对数S: 转差率n1: 电机同步转速 从以上公式可以看出，在其它参数不变的情况下,电机的 转速与供电电源的频率成正比,因此通过改变电机供电电 源的频率可以改变电机的转速。 2、 变频器的定义变频器也称之为变频调速器，是利用电力半导体器件的通 断作用将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。3、变频调速的原理变频调速是通过变频器向电机的定子输出一个电压 ，其频率可以连续地改变，从而达到调速的目的。采用变 频调速的异步电动机的机械特性如下图所示：4、变频器的分类
3、按变换环节 分为：交-直-交变频器、交-交变频器按直流环节的储能方式分为：1）电流型变频器：储能元件是电感线圈2）电压型变频器：储能元件是电容器按控制模式分为：1）v/f控制变频器用电压/频率恒定控制, 其控制原理基于解决变频器 变频的同时又变压,保持磁通不变的控制理论,即/=常 数,称为。这是一种通过转差补偿达到转矩提升 的控制方法。目前通用的变频器多采用电压/频率恒定控 制,其技术成熟,价格便宜。2）矢量控制变频器矢量控制(victor control)的变频器,它以交流电机 的双轴理论为依据,在同步旋转坐标中把定子电流矢量 分解为2个分量, 一个分量与转子磁链矢量重合,称为励 磁电流分量
4、;另一个与转子磁链矢量垂直, 称为转矩电 流分量,通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及 大小,即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小,仿 照直流电动机那样对磁场和转矩进行控制。3）直接转矩控制变频器它避开了矢量控制中的2次坐标变换及求矢量的模 与相角的复杂计算工作量,而直接在定子坐标系上计算 电动机的转矩与磁通, 通过转矩控制,使转矩响应时间 控制在一拍以内,无超调,控制性能比矢量控制还好。5、变频技术概念、定义、名称 AC-DC，把交流电变为直流电，称为整流。 DC-AC，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程， 称为逆变。 AC1-AC2，把一种形式的交流电变为另一种形式的交 流电。若
5、变换前后频率不变，称为交流调压，若变换前 后频率变化，称为变频。 DC1-DC2,对直流电压的大小进行变换，称为斩波。6、交-直-交变频器的结构整流电路逆变电路中间环节电动机控制电路交-直-交变频器结构框图各组成部分功能变频器的基本结构由整流电路、中间直流环节、逆 变电路和控制电路组成。整流电路：利用电子器件的单向导电开关特性，构 成输出单一方向电流的电力变换电路，从而将输入的交 流电能转换为输出的直流电能。整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种 。对于三相变频器一般采用三相桥式结构。 不可控整流电路由功率二极管组成，整流输出的直 流电压与电源电压成正比，不能随意调节。不可控整流 电路简
6、单，另一优点是输入电流和电源电压基本可保持 同相位。可控整流电路由晶闸管或IGBT组成，可以由外部的 触发信号控制其导通时间，从而改变输出电压。中间直流环节：滤波、储能。滤波元件决定电源形式无论是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加处理 都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器使用。对 整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波元件可以是电 容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联电容进行滤波使逆 变器的输入相当于接一个电压源，这种变频器因此叫做电压源型 变频器。如果在整流电路的输出端串联电感滤波，逆变器输入端 相当于接电流源，变频器也因之叫做电流源型。电压源型滤波器电容的容
7、量都很大，一般为多个电解电容串并 联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的瞬间充电电流， 为限制这个电流，可采用多种措施，如图所示：逆变器：有规律的控制逆变器中主开关器件的通和断 ，把直流电能调整成任意频率的三相交流电输出。控制电路：控制电路是给异步电动机供电的主电路提 供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”， 主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检 测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电 路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。7、国内外交流变频电牵引采煤机的发展情况采煤机由最初的液压牵引发展到交流电牵引，而后 随着电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及
8、微 型计算机和大规模集成电路的飞速发展，目前采用 逆变的变频器可将鼠笼型电机的启动转矩提升到额 定转矩的2倍。这种全数字式的通用变频器具有很强的 控制能力,即使不用测速反馈, 也能使鼠笼型电机具有 较硬的机械特性和快速正反转能力。80年代末,煤矿井 下也开始在采、掘、运等主要设备调速上采用变频器。 如采煤机的牵引电机、提升机、绞车、井下用通风机、 水泵及带式输送机电机的调速等。牵引拖动有“一拖一 ”和“一拖二”两种方式。我集团公司目前使用的电牵引采煤机主要是由鸡 西煤机厂和西安煤机厂生产，这两家采煤机牵引电机的 变频控制均采用ABB变频器ACS800系列，并在该型号变 频器原有的基础上进行了二
9、次改造， 由风冷改为水冷 形式。变频器为水冷结构,其整流模块与逆变模块均安 装在专用的散热铝板上, 铝板与腔体底面水冷壁紧密接 触(中间由导热脂传递热量)。正常使用时,变频器产生 的热量由水冷壁带走。使变频器的散热问题得到了良好 的解决。ACS800变频器使用了最先进的控制算法直接转矩 控制（DTC），能够精确的控制功率器件的每一次开关 ，相对于矢量和标量控制，可以减少冗余的开关次数， 能效更高，满足高精度的控制要求。直接转矩控制算法 是ABB变频器的核心。ACS800壁挂式风冷结构经采煤机厂家改装后的卧式水冷结构8、ACS800变频器主电路压敏电阻板 RVAR:在工业环境中，输入保护板可以用
10、于替换 RRFC 板。 压敏电阻接地点压敏板压敏电阻电流互感器MOS管续流二 极管IGBT触发充 电 接 触 器充电电阻电 解 电 容均压电阻充 电 接 触 器压 敏 电 阻电解电容均压电阻电 流 互 感 器IGBT各部件作用 1）进线电容电抗器组。 主要作用是提高输入侧的功率因数，滤掉电网及回馈时的谐波，要注 意安装时电容要接在牵引变压器与电抗器之间。 2）进线压敏电阻 进线压敏电阻，可以抑制瞬态过电压，起到保护变频器的作用。 3）电流互感器 大部份变频器都是用的霍尔电流互感器，用来检测电流，从而计算过 流，缺相，接地等故障。 4）IGBT IGBT是绝缘栅双极型晶体管的缩写，IGBT是由M
11、OSFET和双极型晶体管 复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管， 它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开 关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点 。 5）吸收电容 主要吸收高次谐波。各部件作用 6）充电电阻 它的作用是在上电的时候限制整流回路的充电电流及对滤波电容的冲 击，当电容充电完成后接触器动作，电阻被旁路。 7）电解电容 为滤波电容，变频器功率越大，电容的容量就越大，滤波电容的耐压 一般是450V，因为380V级的变频器整流滤波后的电压是600V，所 以两并两串后耐压就可以达到900V。 8）均压电阻 一是作放电电阻，
12、关机后将电容上的电尽放放掉，另一个是均压，保 持滤波电容上的电压相等。9、ABB控制电路 主板：电电机控制和I/O板（RMIO）+24VDC 电源2 路用于现场总线的并联 端口 现场总线 I/O 扩展 脉冲编码器 新的可选件系列PPCC-link = 串口通讯 与 RINT通讯控制盘连 接器模拟 I/O2 路电流输入1 双极性电压输入2 路电流输出AI 电气隔离数字输入6 路可编程1 固定为停车 (启动 互锁)两组隔离+24VDC3 可编程继电 器输出DDCS 适 配器连接 器DDCS 适配器带4 路通道 PC 连接 主从通讯驱动驱动 板：集成的功率接口板*集成开关电源 *集成整流及逆变门极驱
13、动 *电流电压AD转换 *风机控制 *接地检测操作键盘键盘CDP312R显示屏第一行显示状态10、电动机的四象限运行众所周知，异步电动机有电动和制动两种工作状态 ，我们把电动机的转速和输出转矩用坐标的形式表示， X轴表示转矩，Y轴表示转速，当电动机转速和转矩方向 相同时，电动机处于电动状态；当电动机转速和转矩方 向相反时，电磁转矩为负，起到制动作用；电磁功率也 为负，电动机处于发电状态。如下图所示，第象限为 电动机正转方向的电动状态，第象限为电动机正转方 向的发电状态，第象限为电动机反转方向的电动状态 ，第象限为电动机反转方向的发电状态。这就是所谓 电动机的四象限运行。生产机械在运行过程中需要
14、快速的减 速或停车，更有些设备在生产中要求 保持若干台设备前后一定的转速差或 者拉伸距，这就会产生发电制动的问 题，使电动机运行在第二或第四象限 。然而在实际应用中，由于通用变频 器大多采用电压源的控制方式，其中 间直流环节有大电容钳制着电压，使 之不能迅速反向，另外交直回路又通 常采用不可控制流桥，不能使电流反 向，因此要实现回馈制动和四象限运 动就比较困难。在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率 来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由 于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速V1小于转 子转速V时，转子电流的相位几乎改变了180，电机从电动状态 变为
15、发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te， 使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电 能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电 能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽 然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“ 泵升电压”，使电流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器 件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中，必须采取措施处理这 部分再电能。下面阐述的就是处理再生能量的方法，即能耗制动 和回馈制动。11、变频器的能耗制动能耗制动采用的工作方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组 件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现
16、制动。这是一种处理再 生能量的最直接的方法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电 路消耗在电阻上。转化为热能，因此又被称“电阻制动”，它包 括制动单元和制动电阻两部分。 制动单元 制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限制时（如660V或 710V），接通耗能电路，使电流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量 。制动单元可分内置和外置两种，前者适用于小功率的通用变频器，后者 适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，两者 并没区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样 比较电路和驱动电路。制动电阻制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电 阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻 和铝合金电阻两种。前者采用表面立体波纹，有利于散热减小寄生电感量 ，并选用高阻燃无机涂层，可有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命； 后者耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，可广泛应用于高要求 恶劣
