王棟

(神華準(zhǔn)能設(shè)備維修中心吊斗鏟車間,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

AFE原理及在吊斗鏟的應(yīng)用

王棟

(神華準(zhǔn)能設(shè)備維修中心吊斗鏟車間,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

吊斗鏟是由比塞洛斯國際公司生產(chǎn)的世界一流礦山挖掘設(shè)備,它采用了無齒輪傳動(dòng)和邁步式行走。設(shè)備的總重量大約為500噸,大臂長度為109.7米,工作半徑大約110米,挖掘深度和卸料高度分別是71米和45米。如此龐大的設(shè)備也擁有先進(jìn)的電氣技術(shù),其中變頻單元的AFE系統(tǒng)是由西門子公司提供的。目前來說,它是世界領(lǐng)先的技術(shù),針對(duì)吊斗鏟的AFE系統(tǒng)及控制單元進(jìn)行分析。

吊斗鏟 AFE PWM整流器 SIBAS

AFE是PWM整流器,PWM整流器是應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)發(fā)展起來的一種新型電源變流器。其基本原理是通過控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài),使整流器輸入電流接近正弦波,并且電流和電壓同相位,從而消除大部分電流諧波并使功率因數(shù)接近于1。

1 AFE的特點(diǎn)

①有源可控的IGBT。②AFE整流時(shí),電流諧波含量小,其大小不受電網(wǎng)質(zhì)量或負(fù)載輕重影響,故電網(wǎng)側(cè)電流比較小且無電網(wǎng)污染。③電流可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng),并且不需要制動(dòng)單,負(fù)載可以在四象限運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)能量回饋,提高能源效率。④直流母線電壓與電網(wǎng)電壓無關(guān),使系統(tǒng)得到最佳利用,而且不受電網(wǎng)波動(dòng)的影響,直流電壓保持穩(wěn)定,具有卓越的動(dòng)態(tài)特性。⑤允許電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍寬,使AFE可以安全運(yùn)行在65%的電源額定電壓范圍內(nèi)。⑥AFE可以將弱電網(wǎng)上的低電壓相應(yīng)提高,故允許電源電壓低于電機(jī)電壓。⑦功率因數(shù)可調(diào),可進(jìn)行無功補(bǔ)償,功率因數(shù)接近于1。

2 AFE系統(tǒng)的組成

AFE系統(tǒng)由AFE電抗器、AFE預(yù)充電回路和AFE(整流/回饋)單元組成。

2.1 AFE電抗器

吊斗鏟AFE電抗器采用的是750μH的電感,它的輸入側(cè)電壓是900VAC。AFE能量回饋系統(tǒng)中,AFE電抗器是至關(guān)重要的,因?yàn)樗粌H影響到電流環(huán)節(jié)的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng),同時(shí)制約著AFE的輸出功率、功率因數(shù)。AFE電抗器在電路中起到如下作用：①隔離電網(wǎng)電勢(shì)與AFE交流側(cè)電壓,通過對(duì)AFE交流側(cè)電壓(電流)的相位、幅值進(jìn)行PWM控制,可實(shí)現(xiàn)AFE的四象限運(yùn)行。②濾波作用。它可以濾除電網(wǎng)側(cè)交流側(cè)諧波電流,實(shí)現(xiàn)AFE交流側(cè)正弦波電流控制。③可以使AFE具有Boost特性。④使AFE系統(tǒng)具有一定的阻尼特性,使系統(tǒng)穩(wěn)定工作,同時(shí)還能夠向AFE網(wǎng)側(cè)傳送無功功率。⑤回饋電壓通過電抗器融入電網(wǎng)。

2.2 AFE預(yù)充電回路

(1)預(yù)充電回路的作用。直流母線電容在接通一瞬間相當(dāng)于短路,充電電流非常大,所以為了避免強(qiáng)電流對(duì)AFE、直流母線和電容的沖擊,必須增加預(yù)充電過程。同時(shí)在預(yù)充電回路中必須串入限流電阻,限制直流母線電容的沖擊電流。

(2)吊斗鏟AFE預(yù)充電回路的組成。吊斗鏟預(yù)充電回路是由2組三相橋式不可控二極管整流電路組成,這2組橋式不可控二極管整流電路串聯(lián)。整流橋輸入側(cè)的電壓是500VAC,所以單個(gè)整流橋輸出的直流電壓接近1．35×500=675VDC,兩個(gè)整流橋串聯(lián)起來直流母線電壓達(dá)到1250VDC,并且在預(yù)充電回路中串入了1Ω的限流電阻。

圖1

2.3 AFE預(yù)充電回路順序

①送電。由PLC程序控制預(yù)充電接觸器工作。②充電。預(yù)充電接觸器閉合后,通過預(yù)充電回路向直流母線充電。③得電。直流母線得電,直流母線預(yù)充電電電壓設(shè)定值是1280VDC。④切電。當(dāng)直流母線電壓達(dá)到1280VDC時(shí),PLC程序控制預(yù)充電接觸器斷電,預(yù)充電過程結(jié)束。

3 AFE單元

3.1 吊斗鏟AFE單元結(jié)構(gòu)

吊斗鏟AFE單元在結(jié)構(gòu)上和普通IGBT逆變電路是沒有區(qū)別,由二極管反向并聯(lián)可控的IGBT組成的橋式電路。它們模塊是獨(dú)立結(jié)構(gòu),而且可以通用。

3.2 AFE的工作原理

在AFE預(yù)充電結(jié)束后,主回路開始工作。在主回路閉合前,AFE工作處于準(zhǔn)備階段。當(dāng)AFE交流側(cè)主回路閉合后,AFE系統(tǒng)通過電壓同步模塊檢測(cè)電網(wǎng)的電壓與相位,電網(wǎng)電壓與相位同步完成后,AFE開始工作。

AFE處于同步整流狀態(tài)時(shí),AFE整流單元從電網(wǎng)側(cè)汲取900V正弦交流電,通過對(duì)AFE的控制,經(jīng)整流后輸出1800VDC并保持恒定,各次諧波由濾波電路刪除。AFE整流的控制原理(如圖1)：

當(dāng)交流電在正半軸時(shí),初始狀態(tài)所有的開關(guān)打開,電流的途徑是L1—D3—D2—L2,此時(shí)直流母線的電壓是1272VDC。通過對(duì)開關(guān)的控制,將S1和S2閉合,經(jīng)過S1和S2有一個(gè)大的電流流過L1和L2,并將L1和L2儲(chǔ)能。再將S1和S2斷開,此時(shí)的電流途徑仍保持L1—D3—D2—L2,此時(shí)直流母線的電壓上升到1800VDC。

當(dāng)交流電在負(fù)正半軸時(shí),初始狀態(tài)所有的開關(guān)打開,電流的途徑是L2—D4—D1—L1,此時(shí)直流母線的電壓是1272VDC。通過對(duì)開關(guān)的控制,將S4和S3閉合,經(jīng)過S4和S3有一個(gè)大的電流流過L2和L1,并將L2和L1儲(chǔ)能。再將S4和S3斷開,此時(shí)的電流途徑仍保持L2—D4—D1—L1,此時(shí)直流母線的電壓上升到1800VDC。這樣就完成了一個(gè)周期的整流。電壓保持到1800VDC。

當(dāng)AFE工作在有源逆變狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)通過檢測(cè)直流母線的電壓值,然后與預(yù)先設(shè)定的1800VDC進(jìn)行比較。當(dāng)檢測(cè)到直流母線數(shù)值大于1800VDC時(shí),再對(duì)系統(tǒng)交流側(cè)的電壓、電流以及相位進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)AFE的控制,把多余的能量回饋到交流側(cè)電網(wǎng)。

所以,AFE能夠安全可靠地控制電網(wǎng)側(cè),實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),以滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)及發(fā)電制動(dòng)的要求,各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)所需的能量通過公用直流母線在逆變器間自動(dòng)分配,多余能量通過整流回饋返回電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落在升壓運(yùn)行中將被橋接而不會(huì)改變直流母線電壓值。

4 AFE的DC母線斬波電路

AFE的DC母線斬波電路是斬波電阻通過斬波IGBT模塊連接到DC母線上。斬波電阻是一個(gè)阻值很小的電阻,只有2Ω。雖然阻值很小,但耐高溫,最高溫度可達(dá)750℃。斬波電阻在電路中具有以下作用。

①正常停機(jī)的情況,斬波電阻釋放母線的能量。②在正常情況下,AFE處理所有的回饋能量。在特殊的情況下,AFE不能有效處理所有回饋能量,斬波電阻幫助AFE處理回饋的能量。但是斬波電阻工作時(shí)間很短。

5 AFE的DC母線放電電路。

AFE的DC母線放電電路是由4個(gè)阻值10KΩ,功率225W的電阻組成。它們連接在DC母線的正極和負(fù)極之間。DC放電電阻的作用是設(shè)備在急停或立即停機(jī)的情況下,DC母線斬波電路處于不工作狀態(tài),由DC放電電阻將直流母線電容的電壓釋放。

6 控制單元

控制單元應(yīng)用的是西門子的SIBAS控制系統(tǒng),SIBAS的意思是,SI—Siemens,B—Train,A—Automation,S—System。

(1)SIBAS硬件及作用。電源,為SIBAS機(jī)架提供合適的電源,主電源是110VDC,轉(zhuǎn)換成±24VDC、±15VDC、±5VDC,為SIBAS模塊使用。U/F是Voltage/Frequency Converter。它是電壓和頻率信號(hào)分離器。U/F從CT或PT讀取信號(hào),然后將信號(hào)進(jìn)行分離。分離后將電壓信號(hào)傳入U(xiǎn)WS和ZR,頻率信號(hào)傳入SIP。Binary Inputs,讀取外部開關(guān)量輸入信號(hào),電壓等級(jí)是24VDC。Binary Outputs,輸出開關(guān)量信號(hào),電壓等級(jí)是24VDC。一部分是將開關(guān)量信號(hào)傳入PLC,一部分用于外部的控制。Output Measuring Amplifier,是輸出測(cè)量放大器,輸出模擬信號(hào)到測(cè)試點(diǎn)。UWS是Inverter Monitoring,保護(hù)模塊,是硬件保護(hù)。用于IGBT的檢測(cè)反饋,過電壓,過電流保護(hù)。Fring Pulse Amplifier,觸發(fā)脈沖放大器。用于觸發(fā)IGBT的Gating Board,并且用于檢測(cè)IGBT的通斷。SIP是Signal Processing Unit,也稱DSP,是信號(hào)處理單元,用于內(nèi)部通信,高速處理AFE觸發(fā)信號(hào)。ZR是Central Processor Unit,也稱CPU,是中央處理單元,用于外部控制。

(2)脈沖觸發(fā)回路。脈沖觸發(fā)回路由SIP、UWS和Fring Pulse Amplifier組成。SIP產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào),發(fā)送到UWS卡進(jìn)行檢測(cè),UWS卡檢測(cè)的信號(hào)正常后發(fā)送到Fring Pulse Amplifier,Fring Pulse Amplifier提供40mA的電流信號(hào)控制IGBT的通斷。

(3)電流反饋電路。電流反饋回路是通過CT(電流互感器)反饋到SIBAS系統(tǒng)的U/F卡。然后從U/F卡將信號(hào)分配到UWS、SIP和Out Measuring Amplifier。UWS用于保護(hù),SIP用于控制,Out Measuring Amplifier用于外部測(cè)試。

(4)線電壓反饋回路。線電壓反饋回路是通過PT(同步電壓模塊)反饋到系統(tǒng)的U/F,U/F發(fā)送到AFE SIP進(jìn)行控制。

[1]變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù).山東科學(xué)技術(shù)出版社,2005年3月.

[2]SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,1997年12月.

[3]Siemens Active Front Operation,Siemens Industry Inc.2010年.