ABB变频器控制方式在煤矿电机车中的应用

ABB变频器控制方式在煤矿电机车中的运用编辑：胡伟成摘要：本文主要引见了湖南四菱工控技术基于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，现实证明，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，抑制了传统电控系统的缺陷，调速精度高，运转可靠，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行运用。关键字：ACS800变频器架线式电机车电控系统节能一、矿井电机车调速方式概略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机车电控系统是采用湘潭韶力电机车厂消费的直流电机车电阻调速电控系统，该电控系统是经过改动电枢电压的方式，由电阻降压到达电机车转速降低，电能一部份耗费在电阻上，其切换是经过调速手柄触头来实现的。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，经过改动导通和关断时间的长短的比值即占空比，来改动电机端平均电压值，以到达调速的目的。二、变频调速技术改造缘由及变频调速的优点〔一〕变频调速改造缘由(1)直流电动机构造复杂、造价高、耐潮性差，电枢和励磁绕组经常烧坏，缺点率高、维修量大，维修费用高；(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,断开时产生的电弧,经常烧蚀触头；在需求低速运转时，只需依托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：

①有级分档调速,不能够均匀调速,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转;②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;③直流电机的转速是随负载变化的,尤其是在下坡道运转时,机车可以开得飞快,容易出事故;④不允许司机忽然加速,否那么损坏电机和调速器。(4)由于控制器接触不良或接地，经常呵斥单机运转以及电气制动失灵，平安性能差；(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，呵斥接触电阻增大，电路压降大，电机牵引力矩减小，影响正常消费；(6)在节能方面，由于直流调速器电机车带有电阻器运转,因此电能白白耗费在电阻上,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)爬坡才干比较：直流电阻调速电机车只能在≤11‰的坡道上运转,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。从以上调速方法来看，对企业经济效益和平安消费程度有很大的影响,在我矿井下现有的电机车电控系统缺点频繁、维修量大、耗费资料配件多而且费用高，不能满足现消费需求。〔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：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，提高了矿山的消费效率；3、起动运转平稳，操作人员有温馨感；起动电流从零开场，最大值也不超越额定电流的1.5倍，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求；4、机车在运转中减速或刹车，使电动机处于发电形状，经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，普通情况下变频机车与传统机车相比，节电效果到达30～40﹪；5、机车在拉弓断电或者在无电区的环境下运转时，电机经过动能转换成电能使变频器在一定时间内仍能正常任务，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平安性。三、改造方案及要求井下主要运输设备的直流架线式电机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的直流架线下任务，因此采用的交流变频调速异步电动机必需任务在由直流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需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；(2)改造后的电机车的牵引力最低要到达22kN，以顺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，恢复后可以迅速起动并坚持原运转形状；(4)改造后的电气系统应缺点率低，维修量少，可靠性高；(5)备件耗费少，节约本钱，节约电能。四、变频器控制方式1、U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式：其特点是控制电路构造简单、本钱较低，机械特性硬度也较好，可以满足普通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，动态转矩才干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，转矩呼应慢、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。因此人们又研讨出矢量控制变频调速。2、电压空间矢量(SVPWM)控制方式：它是以三相波形整体生效果果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进展控制的。经实际运用后又有所改良，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；经过反响估算磁链幅值，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理，所以系统性能没有得到根本改善。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、经过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再经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相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模拟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。然而在实践运用中，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，使得实践的控制效果难以到达理想分析的结果。其本质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进展独立控制。经过控制转子磁链，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。4、直接转矩控制(DTC)方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授初次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上处理了上述矢量控制的缺乏，并以新颖的控制思想、简约明了的系统构造、优良的动静态性能得到了迅速开展。目前，该技术已胜利运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。它不需求将交流电动机等效为直流电动机，因此省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需求模拟直流电动机的控制，也不需求为解耦而简化交流电动机的数学模型。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为中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，将直流电动机改换为变频调速三相异步电动机，整个安装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。图1系统方框图2、系统任务原理及功能任务原理：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展滤波，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。电机及运用控制模块基于微处置器软件。微处置器根据检测信号、参数值和来自控制I/O模块及司控器(控制面板)指令对电机进展控制。电机及运用控制模块用直接转矩控制的方法向电机控制公用集成电路发出指令，该电路计算出IGBT开关位置，产生适宜的电压空间矢量PWM脉冲，门极驱动器对这些信号进展放大，用来驱动IGBT逆变桥产生三相对称电压使电压平稳起动、运转。节能性能：交流变频调速电机车根据实践需求，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。每天按运转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，因此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。配件资料消耗费用：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动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形状，按照阅历，每一台电机车的调速触头平均3个月改换一次属于正常景象，每次改换需资料费平均按1000元计算，因此交流变频调速电机车1年触头备件耗费触头资料费用4000元；光电给定器3个月需改换2只，光电给定器价钱为887.2元/只，光电给定器1年消耗费用7097元；辅助电源价钱为1161.2元/只，3个月需改换1只，其辅助电源1年消耗费用为4645元；控制驱动盒价钱为2150.68元/只，3个月需改换1只，控制驱动盒1年消耗费用为8602元，全年所耗费以上常用配件资料费用为24344元。采用变频调速电控电机车那么每年比以上调速方式的电机车节约24344元。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，长期延续运转和处于高温形状下散热性能差，绝缘老化快，缺点率高，维修费用大。一台电阻调速电机车1年耗费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，价钱低廉，根本免维护。维修工时费用：粗略计算〔按每年50周、4人参与检修、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，变频器的月平均无缺点时间为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。改造后的电机车1年节约总费用＝41472＋24344＋24000＋10500＝100316元＝10万元，按每年消费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，估计1年可以收回全部投资。因此到达了高效、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、短路等维护功能，平安可靠，事故率低，经久耐用，运转本钱及维护量小，为企业博得了良好的经济效益和社会效益，值得大力推行。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，噪声污染消逝，操作也方便，深受现场操作工的欢迎；更重要的是电机车运转可靠，在无电区也能运转，而且节电效果显著，具有非常明显的经济效益和社会效益。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胜利地运用于矿井运输设备中，并获得了较好的运转阅历，抑制了传统电控系统的缺陷，在矿井运输系统中值得推行运用。六、运转情况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；运转噪声低。2〕实现提升全过程变频调速控制，加速运转平稳，调速延续方便。低速运转平稳，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，根据实测节电到达30%以上。减少机械的冲击和振动，机车本体、零部件的维修少，改换周期延伸，延伸了设备的运用寿命。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，触点烧坏景象严重，有时电弧起火呵斥司机灼伤〕，实现无触点、无级调速。5〕变频控制系统的司控器所占空间小，方便司机操作，机车启动、运转平稳，制动快速，表达人本主义。七、结论该牵引电机变频调速电控系统具有控制性能优良、操作简便、运转效率高、维护任务量小等诸多优点，在新星煤矿井下架线式电机车投入运转以来，极大地提高了电机车运输系统的平安性和可靠性，确保了架线式电机高质量运转