ABB變頻器控制方式在煤礦電機車中的應用

ABB變頻器控制方式在煤礦電機車中的運用編輯：胡偉成摘要：本文主要引見了湖南四菱工控技術基于ACS800變頻器的DTC控制原理，結合煤礦或非煤礦電機車供電線路的特點，對煤礦井下架線式電機車的電控改造過程與效果，現(xiàn)實證明，ACS800變頻器的交流調速技術方案是架線式電機車電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案，抑制了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，調速精度高，運轉可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經濟效益和社會效益，在礦井運輸系統(tǒng)中值得推行運用。關鍵字：ACS800變頻器架線式電機車電控系統(tǒng)節(jié)能一、礦井電機車調速方式概略調速方式采用電阻調速和斬波脈沖調速1.電機車電阻調速系統(tǒng)在新星礦原來的電機車電控系統(tǒng)是采用湘潭韶力電機車廠消費的直流電機車電阻調速電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)是經過改動電樞電壓的方式，由電阻降壓到達電機車轉速降低，電能一部份耗費在電阻上，其切換是經過調速手柄觸頭來實現(xiàn)的。2.斬波調速系統(tǒng)在電源與電機之間接入一個IGBT斬波調速器，它像通斷極快的高速開關，經過改動導通和關斷時間的長短的比值即占空比，來改動電機端平均電壓值，以到達調速的目的。二、變頻調速技術改造緣由及變頻調速的優(yōu)點〔一〕變頻調速改造緣由(1)直流電動機構造復雜、造價高、耐潮性差，電樞和勵磁繞組經常燒壞，缺點率高、維修量大，維修費用高；(2)調速器維修量方面：電阻調速器由于凸輪控制觸頭的通與斷,斷開時產生的電弧,經常燒蝕觸頭；在需求低速運轉時，只需依托在零擋和一擋的頻繁切換來實現(xiàn)，經常燒蝕觸頭；所以維修量很大?！?〕調速性能方面：

①有級分檔調速,不能夠均勻調速,在低速行駛時司機需不停地在1檔和零檔轉換來獲得慢速運轉;②調速器只能加速,不能減速,減速是靠電制動或手制動來實現(xiàn);③直流電機的轉速是隨負載變化的,尤其是在下坡道運轉時,機車可以開得飛快,容易出事故;④不允許司機忽然加速,否那么損壞電機和調速器。(4)由于控制器接觸不良或接地，經常呵斥單機運轉以及電氣制動失靈，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，電機牽引力矩減小，影響正常消費；(6)在節(jié)能方面，由于直流調速器電機車帶有電阻器運轉,因此電能白白耗費在電阻上,同時由于電阻發(fā)熱導致電阻瓷架和電阻片燒壞，電能浪費嚴重。(7)爬坡才干比較：直流電阻調速電機車只能在≤11‰的坡道上運轉,由于沒有零速制動功能,在上坡停車時機車會向下坡方向溜車,此時想用手制動,是來不及的。從以上調速方法來看，對企業(yè)經濟效益和平安消費程度有很大的影響,在我礦井下現(xiàn)有的電機車電控系統(tǒng)缺點頻繁、維修量大、耗費資料配件多而且費用高，不能滿足現(xiàn)消費需求?！捕匙冾l調速優(yōu)點該變頻器調速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調速系統(tǒng)相比，具有以下顯著優(yōu)點：1、三相交流異步電動機無換向器，電機不容易燒壞；2、由于機車變頻器采用了DTC控制方式，使得機車起動力矩大、起動時間短，提高了礦山的消費效率；3、起動運轉平穩(wěn)，操作人員有溫馨感；起動電流從零開場，最大值也不超越額定電流的1.5倍，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求；4、機車在運轉中減速或剎車，使電動機處于發(fā)電形狀，經過變頻器將電動機所發(fā)出的電能向電網回饋供電，產生了良好的節(jié)電效果，普通情況下變頻機車與傳統(tǒng)機車相比，節(jié)電效果到達30～40﹪；5、機車在拉弓斷電或者在無電區(qū)的環(huán)境下運轉時，電機經過動能轉換成電能使變頻器在一定時間內仍能正常任務，所具有的有電制動和無電制動功能極大的提高了機車的可操控性和平安性。三、改造方案及要求井下主要運輸設備的直流架線式電機車提出了特殊的要求：(1)為了降低改造費用，縮短施工時間，改造后的電機車還是在250V的直流架線下任務，因此采用的交流變頻調速異步電動機必需任務在由直流250V逆變成的三相變頻交流電下，電機的額定電壓為185V(UL=UD/1.35)。同時三相交流電動機的機座必需符合原來的安裝尺寸，對輪的尺寸和原來的一樣，可以直接互換安裝；(2)改造后的電機車的牽引力最低要到達22kN，以順應井下彎道多及機車、礦車掉道時的牽引力矩；(3)在架線弓子瞬時斷電時，恢復后可以迅速起動并堅持原運轉形狀；(4)改造后的電氣系統(tǒng)應缺點率低，維修量少，可靠性高；(5)備件耗費少，節(jié)約本錢，節(jié)約電能。四、變頻器控制方式1、U/f=C的正弦脈寬調制(SPWM)控制方式：其特點是控制電路構造簡單、本錢較低，機械特性硬度也較好，可以滿足普通傳動的平滑調速要求，但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩才干和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩呼應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，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，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進展控制的。經實際運用后又有所改良，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；經過反響估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調理，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速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、經過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再經過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1、It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模擬直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。然而在實踐運用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實踐的控制效果難以到達理想分析的結果。其本質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進展獨立控制。經過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。4、直接轉矩控制(DTC)方式1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授初次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術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、簡約明了的系統(tǒng)構造、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速開展。目前，該技術已勝利運用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需求將交流電動機等效為直流電動機，因此省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需求模擬直流電動機的控制，也不需求為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。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)構成：系統(tǒng)由以ABB公司ACS800為中心的變頻調速器取代原有的直流電阻調速系統(tǒng)和斬波脈沖調速系統(tǒng)，將直流電動機改換為變頻調速三相異步電動機，整個安裝由一臺變頻器驅動兩臺電動機，采用DTC控制方式。控制系統(tǒng)由變頻器、司機控制器〔含電器儀表、信號指示燈等構成〕、編程控制面板、制動單元和制動電阻組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)方框圖2、系統(tǒng)任務原理及功能任務原理：當機車導電弓接電后，合上自動開關，由電抗器L和電容器C組成的LC濾波器對直流電壓進展濾波，以抑制從電源到變頻器或變頻器內部產生的對電源側的高頻擾動，它同時也可以改善變頻器的輸入電流波形。電機及運用控制模塊基于微處置器軟件。微處置器根據(jù)檢測信號、參數(shù)值和來自控制I/O模塊及司控器(控制面板)指令對電機進展控制。電機及運用控制模塊用直接轉矩控制的方法向電機控制公用集成電路發(fā)出指令，該電路計算出IGBT開關位置，產生適宜的電壓空間矢量PWM脈沖，門極驅動器對這些信號進展放大，用來驅動IGBT逆變橋產生三相對稱電壓使電壓平穩(wěn)起動、運轉。節(jié)能性能：交流變頻調速電機車根據(jù)實踐需求，變化電機的電壓頻率值，實現(xiàn)調速控制，無外加電阻損耗，其節(jié)能性與電阻調速相比，將節(jié)能35％~50％以上，與斬波調速車相比節(jié)能20%~30%以上。每天按運轉15h計算，電阻調速電機車需耗電462kW·h，交流變頻調速電機車只耗電192kW·h，因此交流變頻調速電機車1年節(jié)電57600kW·h，每度電按0.72元/度計算，可節(jié)約電費41472元。配件資料消耗費用：電阻調速和斬波調速電機車的調速是利用司控器上的調速凸輪控制觸點閉合來改動外加電阻的阻值而實現(xiàn)調壓。因此觸頭經常處在帶電分合的機械磨損形狀，按照閱歷，每一臺電機車的調速觸頭平均3個月改換一次屬于正常景象，每次改換需資料費平均按1000元計算，因此交流變頻調速電機車1年觸頭備件耗費觸頭資料費用4000元；光電給定器3個月需改換2只，光電給定器價錢為887.2元/只，光電給定器1年消耗費用7097元；輔助電源價錢為1161.2元/只，3個月需改換1只，其輔助電源1年消耗費用為4645元；控制驅動盒價錢為2150.68元/只，3個月需改換1只，控制驅動盒1年消耗費用為8602元，全年所耗費以上常用配件資料費用為24344元。采用變頻調速電控電機車那么每年比以上調速方式的電機車節(jié)約24344元。主牽引電機消耗費用：直流電機電樞有易磨損的換向器、勵磁線圈、碳刷等，長期延續(xù)運轉和處于高溫形狀下散熱性能差，絕緣老化快，缺點率高，維修費用大。一臺電阻調速電機車1年耗費在直流電動機的各項費用大約24000元，而交流變頻調速電機車電機采用交流變頻調速電動機無需換向器、碳刷及維修電樞，可靠性高，定子散熱性好，價錢低廉，根本免維護。維修工時費用：粗略計算〔按每年50周、4人參與檢修、4小時周檢、平均日薪70元。月檢可減少3人，〕每年檢修工時費：50×3×70=10500元=1.05萬元電機車電控系統(tǒng)變頻改造后，大大降低了維修量，變頻器的月平均無缺點時間為20～30天，從而省去現(xiàn)有控制系統(tǒng)的周檢、月檢及停產檢修的維修工時費。改造后的電機車1年節(jié)約總費用＝41472＋24344＋24000＋10500＝100316元＝10萬元，按每年消費11個月計算，平均每月節(jié)省費用9119.6元。改造一臺機車需投入資金大約8.0萬元，估計1年可以收回全部投資。因此到達了高效、節(jié)能和減少企業(yè)支出的目的。同時，DTC變頻調速電機車采用的是高智能計算機工業(yè)控制模塊，并設有電機溫度自動檢測及過流、過壓、缺相、接地、短路等維護功能，平安可靠，事故率低，經久耐用，運轉本錢及維護量小，為企業(yè)博得了良好的經濟效益和社會效益，值得大力推行。新星煤礦井下電機車電控系統(tǒng)采用變頻器調速以后，調速精度高，噪聲污染消逝，操作也方便，深受現(xiàn)場操作工的歡迎；更重要的是電機車運轉可靠，在無電區(qū)也能運轉，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經濟效益和社會效益。從目前各種不同的技術改造方案對比來看，牽引電機變頻器的交流調速技術方案是電機車電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。牽引電機變頻器的架線式直流電機車調速技術的新型電控系統(tǒng)已勝利地運用于礦井運輸設備中，并獲得了較好的運轉閱歷，抑制了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，在礦井運輸系統(tǒng)中值得推行運用。六、運轉情況1〕新調速系統(tǒng)的自動化程度高、轉向手柄和調速手柄操作簡單，降低了司機勞動強度和操作難度；運轉噪聲低。2〕實現(xiàn)提升全過程變頻調速控制，加速運轉平穩(wěn)，調速延續(xù)方便。低速運轉平穩(wěn)，無抖動。3〕拖動力矩大，電氣制動平穩(wěn)，制動停車準確度高。將能量回饋電網，節(jié)約能源，根據(jù)實測節(jié)電到達30%以上。減少機械的沖擊和振動，機車本體、零部件的維修少，改換周期延伸，延伸了設備的運用壽命。4〕司機控制器的維修量大大降低〔原來司控器主觸點串入主回路，觸點燒壞景象嚴重，有時電弧起火呵斥司機灼傷〕，實現(xiàn)無觸點、無級調速。5〕變頻控制系統(tǒng)的司控器所占空間小，方便司機操作，機車啟動、運轉平穩(wěn)，制動快速，表達人本主義。七、結論該牽引電機變頻調速電控系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運轉效率高、維護任務量小等諸多優(yōu)點，在新星煤礦井下架線式電機車投入運轉以來，極大地提高了電機車運輸系統(tǒng)的平安性和可靠性，確保了架線式電機高質量運轉