礦用帶式輸送機用永磁同步電機控制器研究

蘇 元

(山西蘭花集團 東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048400)

0 引言

解決能源危機是21世紀最重要的課題之一，對于煤炭等礦山企業(yè)，節(jié)能也是提高企業(yè)生產(chǎn)效率、實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。礦用帶式輸送機采用永磁同步電機進行拖動，其功率大，能源利用率低，企業(yè)每年支出大量電費。本文研究了一種三電平變頻器拖動的礦用帶式輸送機用永磁同步電機控制器，設(shè)計的控制器能夠提高電機的運行效率，減少電能消耗。

1 帶式輸送機調(diào)速系統(tǒng)概述

1.1 三電平變頻器

帶式輸送機的作用是將變頻器提供的電能轉(zhuǎn)化為將煤從低處運輸?shù)礁咛幍臋C械能，因此變頻器工作在兩象限模式，通過移相變壓器從井下高爆開關(guān)取電，經(jīng)過快速熔斷器，將三相交流電輸送給整流單元，通過整流單元將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后經(jīng)直流母線電容濾波后得到直流母線電壓，再通過逆變單元將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成頻率可變的三相交流電，供永磁同步電機使用。三電平變頻器主電路如圖1所示。

圖1 三電平變頻器主電路

1.2 永磁同步電機

與其他類型的交流電機相比，永磁同步電機的定子并無特殊之處，其主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁同步電機轉(zhuǎn)子行程的磁鏈是固定的。根據(jù)永磁體布置在轉(zhuǎn)子的位置不同，永磁同步電機分為內(nèi)埋式和表貼式，由于帶式輸送機功率較大，因此多采用抗去磁能力更強的內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)。

1.3 礦用帶式輸送機

本文研究的礦用帶式輸送機采用永磁同步電機直接驅(qū)動，電機軸與滾筒直接相連，無需配置減速器，其傳動系統(tǒng)的效率和可靠性較高。驅(qū)動電機的軸帶動滾筒定向旋轉(zhuǎn)，滾筒帶動皮帶定向前進，實現(xiàn)帶式輸送機的正常運行。對于運輸距離較大的帶式輸送機，需要多個電機驅(qū)動多個滾筒，包括驅(qū)動滾筒、機尾換向滾筒和改向滾筒。礦用帶式輸送機要求在滿載時能夠平穩(wěn)啟動，因此要求變頻器的啟動加速度限制在一定范圍內(nèi)，且能夠識別是否過載。帶式輸送機啟動時的速度曲線一般為“S”型。

2 三電平變頻器硬件設(shè)計

2.1 主電路參數(shù)設(shè)計

變頻器額定功率選擇為1 000 kW,考慮煤炭行業(yè)額定電壓等級10 kV和直流母線1 800 V的情況，供電變壓器采用兩臺容量1 000 kVA的10 kV/660 V移向變壓器。變頻器主電路如圖1所示，由于整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，且未采取任何電流互感器進行軟件保護，因此采用交流側(cè)1 000 V/750 A的快速熔斷器進行電流保護。經(jīng)計算樣機額定容量為510 A，考慮1.5倍～2倍過載運行裕度，整流二極管的額定電壓選擇為1 600 V，額定電流為400 A。逆變模塊的IGBT額定電壓為1 700 V，額定電流為1 400 A。根據(jù)直流母線電壓波動范圍10%～15%，直流側(cè)電容值選擇為15 000 uF。

2.2 控制器系統(tǒng)設(shè)計

控制器硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示，以TI公司生產(chǎn)的DSPTMS320F2812為核心，F(xiàn)PGA負責外圍信號的處理，CPLD負責逆變器故障時封鎖脈沖驅(qū)動，以保護系統(tǒng)安全運行。模擬信號經(jīng)FPGA處理后，發(fā)送給DSP，經(jīng)DSP運算后得到PWM脈沖信號，脈沖信號經(jīng)CPLD橋發(fā)送給驅(qū)動模塊，實現(xiàn)IGBT的開關(guān)控制。該控制器具有較高的集成度，除了3個控制芯片需要供電外，外圍器件和各類控制器件均需要配置不同電壓等級的電源。電源的輸入電壓為24 V，這樣的設(shè)計可以保證硬件板卡不受電源擾動影響，更加穩(wěn)定。后級的各類型電源經(jīng)過不同DC/DC變換器得到，并加以MEC電路對其進行防護。

圖2 控制器硬件系統(tǒng)框圖

2.3 信號采集調(diào)理電路設(shè)計

系統(tǒng)需要采集的信號包括直流母線電壓、逆變器輸出三相電流，經(jīng)過模擬信號處理后，輸送到ADC模塊進一步進行軟件處理。模擬信號的處理包括二級運算放大器濾波和信號增強，具體電路圖如圖3所示。

圖3 信號采集調(diào)理電路

2.4 其他控制電路

其他控制電路包括電源系統(tǒng)EMC電路和IGBT驅(qū)動脈沖觸發(fā)電路。由于AD端口只能接收正電壓，且其安全電壓較低，因此必須設(shè)計兩級運放引入標準抬升電壓，將未經(jīng)處理的模擬信號濾波處理后，發(fā)送給AD芯片端口輸入端。PWM脈沖電路是控制電路的最后一個環(huán)節(jié)，也是關(guān)系到逆變器能否安全運行的重要環(huán)節(jié)，PWM口脈沖占空比的改變通過修改事件管理器CMR值實現(xiàn)，圖4為IGBT驅(qū)動脈沖觸發(fā)電路。

圖4 IGBT驅(qū)動脈沖觸發(fā)電路

3 帶式輸送機直驅(qū)調(diào)速試驗

樣機的各項電氣性能指標需要通過試驗進行驗證，在試驗室設(shè)計了對拖試驗平臺，試驗系統(tǒng)連接如圖5所示。通過調(diào)壓器從10 kV電源取電，分別經(jīng)過1號驅(qū)動高壓柜和2號負載高壓柜，1號驅(qū)動高壓柜經(jīng)過變壓器將10 kV電壓轉(zhuǎn)換為660 kV，經(jīng)開關(guān)柜送給變頻器供電。2號負載高壓柜經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為1 140 V電源，再經(jīng)電抗器送給開關(guān)柜，開關(guān)柜給負載變頻器供電。負載變頻器為容量1 MW的四象限運行變頻器，能夠滿足模擬電機能量回饋的工況要求。

圖5 試驗系統(tǒng)連接示意圖

圖6給出了對拖試驗平臺的軟件主程序流程和主中斷流程。主程序開始后進行系統(tǒng)初始化和I/O初始化，然后清除所有中斷，中斷向量表初始化，配置各種外設(shè)，變量初始化后打開中斷，等待DA輸出或保護等中斷請求。主中斷請求命令響應(yīng)后，開始進行AD轉(zhuǎn)換，將外部采樣信號換算成為標幺值，保護程序可根據(jù)電流或電壓值進行保護動作，一旦電壓電流產(chǎn)生異常則發(fā)出停機信號。狀態(tài)機程序判斷出系統(tǒng)的狀態(tài)后，如正常運行狀態(tài)，則開始執(zhí)行無速度矢量控制算法。

圖6 控制系統(tǒng)軟件流程

圖7給出了對拖試驗的波形圖，其中Uc1、Uc2分別為電容C1、C2的電壓，ia為A相電流，Uao為A相相電壓，k為零矢量分配因子，低電平數(shù)值為-1，高電平數(shù)值為1，通過A相電壓波形可以看出母線減少了開關(guān)損耗。由試驗結(jié)果可以看出：變頻器輸出電流正弦度較好，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。圖中中點電位的低頻脈動是由連續(xù)鉗位引起的。試驗結(jié)果表明：設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預定目標，永磁同步電機的各項電氣性能滿足現(xiàn)場運行工況。

圖7 對拖試驗的波形圖

4 結(jié)論

以礦用帶式輸送機用永磁同步電機為研究對象，設(shè)計了一種高效率、高可靠性的三電平防爆變頻器，重點介紹了變頻器主電路設(shè)計選型和控制器的軟硬件設(shè)計，并進行了實驗室對拖試驗。從對拖試驗的波形圖可知，三電平變頻器輸出的電流波形正弦度較高，諧波含量小，驗證了控制器的各項電氣指標，對大功率礦用帶式輸送機電驅(qū)改進技術(shù)具有重要意義。