采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統設計

鄧永紅，　曹浩堃，　張全柱

(華北科技學院 信息與控制技術研究所， 河北 三河　065201)

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采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統設計

鄧永紅，曹浩堃，張全柱

(華北科技學院 信息與控制技術研究所， 河北 三河065201)

摘要：針對采煤機四象限變流器指標要求，設計了一種新型的采煤機四象限變流器驅動控制系統，詳細介紹了系統硬件電路設計及軟件實現。現場調試結果表明，該系統實現了采煤機的快速制動，可為采煤機提供持續的制動力，提高了采煤機牽引運行的控制性能和可靠性，具有較好的工程應用推廣價值。

關鍵詞：采煤機； 四象限變流器； 同步PI解耦電流控制； 牽引變頻器

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1457.006.html

0引言

采煤機是煤礦企業的重要生產設備，其安全穩定運行是煤礦生產的重要保障，采煤機在刮板輸送機上往復行走進行采煤工作，主要依靠牽引變頻器作為驅動力，一般采用1臺或2臺通用型(整流單元為不控整流橋二極管)牽引變頻器[1]來驅動。對于這類依靠牽引變頻器來驅動的采煤機具有如下的缺點：① 2臺牽引電動機運行不同步、負荷不平衡。② 對于有較大傾角的采煤工作面，向下運行時需要足夠大的制動力，同時采煤機工作過程中經常性出現急停產生的制動能量，往往需要采用外加制動單元的方案來解決，造成能耗大，故障率高，防爆性差，且占用采煤機電控箱內有限的空間[2]。③ 采煤機供電電壓往往波動較大，嚴重時高達-30%～35%，造成二極管整流橋的牽引變頻器中間直流電壓波動較大，嚴重影響采煤機的正常運行。④ 采煤機牽引變頻器在運行過程中產生的諧波會危害整個采煤機的安全運行，造成電網功率因數低[3-4]。⑤ 采煤機電控箱內密閉的環境要求牽引變頻器具有很好的散熱性；采煤機工作時會產生強烈的振動和沖擊，要求牽引變頻器有很好的抗振能力[5]。要解決上述問題，就要將采煤機牽引變頻器改換成四象限變流器，研究其驅動控制系統，通過適當的脈沖控制方法實現其能量的雙向流動，使制動能量回饋電網，改善輸入電流波形，提高功率因數，消除諧波污染，實現節能環保，穩定中間直流電壓，提高采煤機牽引的控制性能、安全性，降低故障率。為此，根據采煤機運行特點和應用要求，兼顧技術先進性和工程實用性，筆者設計了全數字化智能控制的高性能采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統。

1系統組成及硬件電路設計

1.1系統組成

采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統由濾波單元、輸入電抗器、IGBT功率單元、濾波支撐電容、DSP控制系統、驅動電路、各種信號檢測電路及人機接口組成，如圖1所示，三相交流輸入電源通過四象限變流器在整流工況運行時，輸出穩定的直流電壓，并提供給逆變器，帶動采煤機向左或者向右運行；當采煤機瞬間停車或者下坡運行時，四象限變流器通過逆變工況運行將制動能量回饋電網。

圖1　四象限變流器驅動控制系統組成

1.2DSP控制系統

DSP控制系統如圖2所示，系統核心芯片采用TMS320F28035定點DSP，利用TMS320F28035豐富的外圍接口、12位高精度片內AD，完成四象限變流器驅動控制系統各種檢測信號采樣、PWM脈沖及保護狀態信號輸入。DSP控制系統是整個四象限變流器驅動控制系統的核心部分，其主要由DSP數字系統、模擬量輸入電路、IGBT驅動電路、人機接口電路及電網電壓相位/頻率/相序檢測[6]、缺相保護電路等部分組成。DSP數字系統由TMS320F28035、外部端子數字量輸入信號等組成，它能完成各種數字計算,外部端子控制,四象限變流器的啟停控制、運行等功能。模擬量輸入電路主要由網側電壓、電流和直流電壓檢測與調理電路，IGBT溫度檢測與調理電路等組成。電壓、電流檢測電路主要是將強電信號轉換為弱電信號，供DSP進行數字采樣。IGBT驅動電路將DSP系統發出的SVPWM信號轉換為可驅動IGBT的脈沖信號，同時當IGBT發生短路或過流故障時，向DSP控制系統反饋故障信號。人機接口電路主要由CAN通信電路、上位PC機顯示電路及操作鍵盤組成，可以通過鍵盤設定各種給定指令和參數，如實現四象限變流器的啟動與停止，給定中間直流電壓值等；可以顯示四象限變流器的各種狀態，并記錄四象限變流器的歷史運行故障。

圖2　DSP控制系統

1.3硬件電路

1.3.1網側電流檢測電路

網側電流的檢測對四象限變流器驅動控制系統十分重要，其值將作為同步PI解耦電流控制時的指令電流，檢測的可靠性與精度是首要考慮的指標。按典型功率45 kW考慮，在三相平衡系統中，線電壓為380 V，每相最大電流不超過100 A，考慮到一些裕量，選用TBC100EH3型三相交流電流傳感器來檢測網側電流。TBC100EH3型三相交流電流傳感器初次級絕緣分辨率為1 000∶1，測量范圍為300 A，可用于測量直流、交流和脈沖電流，其額定輸出電流有效值為20 mA，電源電壓為±15 V。

網側電流檢測電路如圖3所示，電源的三相線分別從傳感器的3個測量孔中穿過，傳感器的M1、M2、M3分別為三相的測量電流輸出。由于是三相平衡系統，三相電流調理電路一致，圖中給出了其中一相電流調理電路。各相電流檢測值輸出經過磁珠(抑制高頻干擾與尖峰)后流過采樣電阻，使電流信號變為電壓信號，然后經過TL082運放調理，使輸出電壓在0～3.3 V，最后經過DAN217箝位保護后輸入DSP的AD口。

圖3　網側電流檢測電路

1.3.2網側電壓和直流電壓檢測電路

網側電壓值也作為同步PI解耦電流控制的指令，實現解耦算法。檢測的網側電壓，其線電壓額定值為380 V，故選擇電壓傳感器的型號為TBV10/25 A，該型號傳感器初級與次級絕緣，可用于測量直流、交流和脈沖電壓，額定輸入電流為10 mA，輸出電流為25 mA，電源電壓為±15 V。網側電壓三相檢測電路是一致的。網側電壓兩線電壓的檢測電路如圖4所示。兩線電壓經過傳感器輸入側限流電阻R5接入，經過采樣電阻R8后變為電壓信號，然后經電容濾波后由TL082運放調理運算后輸入DSP的AD口。

直流電壓的值作為同步PI解耦電流控制的外環控制反饋指令，使四象限變流器輸出穩定的直流電壓，直流電壓檢測電路與網側電壓檢測電路相同，只是輸入限流電阻R5和采樣電阻R8的值不同。

1.3.3電網電壓相位、相序、頻率檢測電路

電網電壓頻率、相位、相序的值作為同步PI解耦電流控制中SVPWM算法運算的參數，使四象限變流器回饋電網時能準確并網，檢測電路如圖5(a)所示。輸入交流三相電壓經過隔離變壓器變換為5 V，其頻率、相位與電網一致，然后經電容濾除高頻諧波，輸入到由TL082運放構成的過零比較器，左側2個反并聯二極管為輸入級保護，經過過零比較器后，變為同頻率同相位的方波(圖5(b))。方波信號經過濾波穩壓管穩壓后，送入74LS14(六路施密特觸發反相器)，進行2次反相的信號為SX1、SX2、SX3，對SX1、SX2、SX3進行整形，最后經過箝位保護后送入DSP的捕獲口。

圖4　網側電壓和直流電壓檢測電路

(a) 網側電壓相位、相序、頻率檢測電路

(b) 方波波形

由于DSP自帶高精度捕獲口，且具有相位計數模式，依據輸入的3路方波信號，可很方便計算出電網電壓的頻率、相位，用于判斷正、逆相序及進行缺相檢測。

1.3.4IGBT溫度檢測電路

四象限變流器驅動控制系統安裝在采煤機密閉的電控箱里面，本身是自然冷卻，依靠安裝在采煤機水冷系統外壁上來加強散熱效果，但工作時溫度會急劇升高，即使由采煤機外殼加強散熱，長期使用，冷卻效果仍不理想，會使系統溫度過高，從而損壞驅動控制系統，所以，須對IGBT溫度進行檢測。IGBT溫度檢測采用PT100溫度傳感器來完成，檢測電路如圖6所示，PT100與系統散熱器表面充分接觸，當四象限變流器驅動控制系統溫度發生變化時，PT100的阻值也隨之變化，利用檢測電路可以測得阻值的變化，從而測得驅動控制系統的溫度。圖6中TL431構成穩壓電路，提供精準+5 V電壓，運算放大器TL082和電阻組成一個200 mA的恒流源電路，利用恒流源將PT100的阻值轉換為電壓信號，再利用AD620調理信號后，將信號送入DSP的AD口進行轉換。整個溫度檢測電路將實時反饋四象限變流器IGBT的溫度情況，利用DSP可實現實時監測與溫度保護。

圖6　IGBT溫度檢測電路

1.3.5IGBT驅動電路

針對45 kW的四象限變流器驅動控制系統，驅動電路的IGBT型號為FF300R12ME4，這是第4代IGBT，該IGBT的電感低，開關損耗低，進一步優化了軟開關特性，其封裝兩端接線結構簡化了主回路電氣連接。IGBT驅動電路如圖7所示，選擇配套的驅動板2SP0115T，直接焊接到IGBT上，只需設計外圍電路，便可使用，采用光纖直接與DSP控制系統連接，使得系統更加穩定可靠。

2同步PI解耦電流控制算法

圖7　IGBT驅動電路

圖8　四象限變流器驅動控制系統同步PI解耦電流控制算法

3系統軟件設計

四象限變流器驅動控制系統程序主要由主程序、AD定時器中斷服務程序、捕獲中斷服務程序、CAN通信中斷程序、波形發生器中斷服務程序等組成。系統主要程序流程如圖9所示。

主程序主要完成初始化變量和數據設置、特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設置、各種中斷設置、開中斷等功能，以及完成外部端子的信號采樣，管理四象限變流器的啟停、CPU的復位信號，輸出故障信號等。

(a)主程序(b)捕獲中斷服務程序(c)波形發生器中斷服務程序(d)AD定時器中斷服務程序

圖9系統主要程序流程

CAN通信中斷程序主要完成與操作鍵盤的通信，將四象限變流器驅動控制系統的運行狀態、故障信息發給鍵盤顯示，同時接收鍵盤的設置命令。捕獲中斷服務程序主要完成電網相位、相序和頻率的采樣計算。波形發生器中斷服務程序主要完成周期寄存器和占空比的更新、占空比的計算及SVPWM波的生成輸出。AD定時器中斷服務程序主要完成以下工作：① 三相交流電流與電壓、直流電壓、IGBT溫度采樣的計算。② 完成死區補償、波形發生器周期寄存器值的計算，相位累加值及過載、過流值的計算等。③ 完成同步PI解耦電流控制算法的計算。

4實驗研究

為了驗證四象限變流器驅動控制系統的可靠性，對其進行了實驗研究，系統主要參數：額定功率為45 kW，輸入三相交流電壓為AC380 V，調制頻率為5 kHz。四象限變流器額定功率整流工作時，網側相電壓、相電流和整流輸出直流電壓波形如圖10(a)所示，從圖10(a)可以看出，直流電壓穩定在DC672 V，輸入相電壓和相電流同相位，功率因數接近1，網側電流波形變得明顯正弦化，諧波含量大大減小。四象限變流器逆變回饋電網時，網側相電流、相電壓及中間直流電壓波形如圖10(b)所示，從圖10(b)可以看出，直流電壓穩定在DC672 V，輸入相電壓和輸出相電流相位反向，功率因數接近-1，電流波形也明顯成正弦波。可見四象限變流器整流工況和逆變工況工作穩定，諧波含量低。

(a) 整流工況時的相電壓、相電流和直流電壓波形

(b) 逆變工況時的相電壓、相電流和直流電壓波形

5結語

針對采煤機牽引四象限變流器特點，設計了全數字化智能控制的高性能采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統。該系統具有電路簡潔、模塊化強、參數設置靈活、動態性能好、能量雙向流動的特點。現場調試結果表明，系統在整流工況工作時，可輸出穩定的直流電壓，能夠適應波動范圍較大的輸入電源；在逆變工況工作時，制動能量能快速回饋電網，無需外加制動單元，實現了采煤機的快速制動，為采煤機提供持續的制動力，提高了采煤機牽引運行的控制性能和可靠性，具有較好的工程應用推廣價值。

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Design of drive and control system of 4-quadrant converter for traction shearer

DENG Yonghong,CAO Haokun,ZHANG Quanzhu

(Institute of Information and Control Technology, North China Institute of Science and Technology, Sanhe 065201, China)

Abstract:The paper designed a new drive and control system of 4-quadrant converter for traction shearer according to index requirements of 4-quadrant converter of shearer, and introduced design of hardware circuit and software implementation of the system. The field experiment results show that the system realizes fast braking of shearer, provides continuous braking force for shearer, and improves control performance and reliability of traction operation for shearer, which has good popularization value for engineering applications.

Key words:shearer; 4-quadrant converter; synchronous PI decoupling current control; traction frequency converter

文章編號：1671-251X(2016)07-0020-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.006

收稿日期：2016-04-01；修回日期：2016-05-25；責任編輯：張強。

基金項目：廊坊市科技支撐項目(2015011017)；中央高校基本科研業務費資助項目(3142013101,DX2013B05，3142015023)。

作者簡介：鄧永紅(1975-)，男，湖南漣源人，講師，碩士，研究方向為電力電子與電能變換技術、微型計算機控制技術，E-mail:dyhsyjdyx@163.com。

中圖分類號：TD632

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:57

鄧永紅，曹浩堃，張全柱.采煤機牽引四象限變流器驅動控制系統設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：20-25.