ABB變頻器控制方式在煤礦電機(jī)車中的應(yīng)用

ABB變頻器控制方式在煤礦電機(jī)車中的應(yīng)用編輯：胡偉成摘要：

本文主要介紹了湖南四菱工控技術(shù)有限公司基于ACS800變頻器的DTC控制原理，結(jié)合煤礦或非煤礦電機(jī)車供電線路的特點(diǎn)，對煤礦井下架線式電機(jī)車的電控改造過程與效果，事實(shí)證明，ACS800變頻器的交流調(diào)速技術(shù)方案是架線式電機(jī)車電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，調(diào)速精度高，運(yùn)行可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中值得推廣應(yīng)用。關(guān)鍵字：

ACS800變頻器架線式電機(jī)車電控系統(tǒng)

節(jié)能一、礦井電機(jī)車調(diào)速方式概況調(diào)速方式采用電阻調(diào)速和斬波脈沖調(diào)速

1.電機(jī)車電阻調(diào)速系統(tǒng)在新星礦原來的電機(jī)車電控系統(tǒng)是采用湘潭韶力電機(jī)車廠生產(chǎn)的直流電機(jī)車電阻調(diào)速電控系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)是通過改變電樞電壓的方式，由電阻降壓達(dá)到電機(jī)車轉(zhuǎn)速降低，電能一部份消耗在電阻上，其切換是通過調(diào)速手柄觸頭來實(shí)現(xiàn)的。

2.斬波調(diào)速系統(tǒng)在電源與電機(jī)之間接入一個IGBT斬波調(diào)速器，它像通斷極快的高速開關(guān)，通過改變導(dǎo)通和關(guān)斷時間的長短的比值即占空比，來改變電機(jī)端平均電壓值，以達(dá)到調(diào)速的目的。二、變頻調(diào)速技術(shù)改造原因及變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)（一）變頻調(diào)速改造原因(1)直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、耐潮性差，電樞和勵磁繞組經(jīng)常燒壞，故障率高、維修量大，維修費(fèi)用高；

(2)調(diào)速器維修量方面：電阻調(diào)速器由于凸輪控制觸頭的通與斷,斷開時產(chǎn)生的電弧,經(jīng)常燒蝕觸頭；在需要低速運(yùn)行時，只有依靠在零擋和一擋的頻繁切換來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)常燒蝕觸頭；所以維修量很大。（3）調(diào)速性能方面：

①有級分檔調(diào)速,不可能均勻調(diào)速,在低速行駛時司機(jī)需不停地在1檔和零檔轉(zhuǎn)換來獲得慢速運(yùn)行;②調(diào)速器只能加速,不能減速,減速是靠電制動或手制動來實(shí)現(xiàn);③直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨負(fù)載變化的,尤其是在下坡道運(yùn)行時,機(jī)車可以開得飛快,容易出事故;④不允許司機(jī)突然加速,否則損壞電機(jī)和調(diào)速器。(4)由于控制器接觸不良或接地，經(jīng)常造成單機(jī)運(yùn)行以及電氣制動失靈，安全性能差；(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，造成接觸電阻增大，電路壓降大，電機(jī)牽引力矩減小，影響正常生產(chǎn)；(6)在節(jié)能方面，由于直流調(diào)速器電機(jī)車帶有電阻器運(yùn)行,因此電能白白消耗在電阻上,同時由于電阻發(fā)熱導(dǎo)致電阻瓷架和電阻片燒壞，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。(7)爬坡能力比較：直流電阻調(diào)速電機(jī)車只能在≤11‰的坡道上運(yùn)行,由于沒有零速制動功能,在上坡停車時機(jī)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(diào)速方法來看，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)水平有很大的影響,在我礦井下現(xiàn)有的電機(jī)車電控系統(tǒng)故障頻繁、維修量大、消耗材料配件多而且費(fèi)用高，不能滿足現(xiàn)生產(chǎn)需要。

（二）變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)該變頻器調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1、三相交流異步電動機(jī)無換向器，電機(jī)不容易燒壞；2、由于機(jī)車變頻器采用了DTC控制方式，使得機(jī)車起動力矩大、起動時間短，提高了礦山的生產(chǎn)效率；3、起動運(yùn)行平穩(wěn)，操作人員有舒適感；起動電流從零開始，最大值也不超過額定電流的1.5倍，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求；4、機(jī)車在運(yùn)行中減速或剎車，使電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，通過變頻器將電動機(jī)所發(fā)出的電能向電網(wǎng)回饋供電，產(chǎn)生了良好的節(jié)電效果，一般情況下變頻機(jī)車與傳統(tǒng)機(jī)車相比，節(jié)電效果達(dá)到30～40﹪；5、機(jī)車在拉弓斷電或者在無電區(qū)的環(huán)境下運(yùn)行時，電機(jī)通過動能轉(zhuǎn)換成電能使變頻器在一定時間內(nèi)仍能正常工作，所具有的有電制動和無電制動功能極大的提高了機(jī)車的可操控性和安全性。三、改造方案及要求

井下主要運(yùn)輸設(shè)備的直流架線式電機(jī)車提出了特殊的要求：(1)為了降低改造費(fèi)用，縮短施工時間，改造后的電機(jī)車還是在250V的直流架線下工作，因而采用的交流變頻調(diào)速異步電動機(jī)必須工作在由直流250V逆變成的三相變頻交流電下，電機(jī)的額定電壓為185V(UL=UD/1.35)。同時三相交流電動機(jī)的機(jī)座必須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(jī)車的牽引力最低要達(dá)到22kN，以適應(yīng)井下彎道多及機(jī)車、礦車掉道時的牽引力矩；(3)在架線弓子瞬時斷電時，恢復(fù)后能夠迅速起動并保持原運(yùn)行狀態(tài)；(4)改造后的電氣系統(tǒng)應(yīng)故障率低，維修量少，可靠性高；(5)備件消耗少，節(jié)約成本，節(jié)約電能。四、變頻器控制方式

1、U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式：

其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動機(jī)硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)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(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。2、電壓空間矢量(SVPWM)控制方式：

它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，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(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，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(diào)速的做法是將異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動機(jī)的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。其實(shí)質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度，磁場兩個分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)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(zhuǎn)矩控制(DTC)方式1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)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(gòu)成：

系統(tǒng)由以ABB公司ACS800為核心的變頻調(diào)速器取代原有的直流電阻調(diào)速系統(tǒng)和斬波脈沖調(diào)速系統(tǒng)，將直流電動機(jī)更換為變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，整個裝置由一臺變頻器驅(qū)動兩臺電動機(jī)，采用DTC控制方式?？刂葡到y(tǒng)由變頻器、司機(jī)控制器（含電器儀表、信號指示燈等構(gòu)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)工作原理及功能工作原理：當(dāng)機(jī)車導(dǎo)電弓接電后，合上自動開關(guān)，由電抗器L和電容器C組成的LC濾波器對直流電壓進(jìn)行濾波，以抑制從電源到變頻器或變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的對電源側(cè)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(jī)及應(yīng)用控制模塊基于微處理器軟件。微處理器根據(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(jī)進(jìn)行控制。電機(jī)及謀應(yīng)用控話制模塊為用直接碑轉(zhuǎn)矩控逝制的方錢法向電這機(jī)控制備專用集給成電路無發(fā)出指撕令，該幅電路計缺算出扛IGB愚T開莫關(guān)位置渣，產(chǎn)生虎合適的包電壓空祖間矢量吵PW蔥M脈乞沖，門彈極驅(qū)動狗器對這屑些信號弓進(jìn)行放概大，用戀來驅(qū)動哈IG驗(yàn)BT逆系變橋產(chǎn)字生三相料對稱電餅壓使電互壓平穩(wěn)譯起動、魚運(yùn)行。節(jié)能性能態(tài)：交流變頻括調(diào)速電機(jī)舉車根據(jù)實(shí)健際需要，干變化電機(jī)摘的電壓頻牌率值，實(shí)到現(xiàn)調(diào)速控裝制，無外宰加電阻損鳳耗，其節(jié)耽能性與電拌阻調(diào)速相旬比，將節(jié)經(jīng)能35巧％~盞50％以岸上，與斬主波調(diào)速車國相比節(jié)能汗20%所~3質(zhì)0%以拌上。每天垃按運(yùn)行派15h雹計算，途電阻調(diào)速郵電機(jī)車需囑耗電4搭62k貞W·h，酒交流變頻望調(diào)速電機(jī)必車只耗電疫192擊kW·抗h，因而棄交流變頻爛調(diào)速電機(jī)稅車1年智節(jié)電5趴7600偽kW·監(jiān)h，每度盆電按0毒.72駐元/度計窗算，可節(jié)冷約電費(fèi)鼠4147脂2元。配件材料敞消耗費(fèi)用佳：電阻調(diào)速奪和斬波調(diào)喇速電機(jī)車隆的調(diào)速是賄利用司控犧器上的調(diào)烈速凸輪控由制觸點(diǎn)閉要合來改變剛外加電阻孤的阻值而返實(shí)現(xiàn)調(diào)壓叼。因此觸愿頭經(jīng)常處祥在帶電分訴合的機(jī)械撒磨損狀態(tài)什，依照經(jīng)辰驗(yàn)，每一男臺電機(jī)車節(jié)的調(diào)速觸擺頭平均據(jù)3個月剃更換一次哥屬于正常毛現(xiàn)象，每聞次更換需臭材料費(fèi)平婚均按10蚊00元羅計算，因趙此交流變指頻調(diào)速電嗓機(jī)車1址年觸頭備捉件消耗觸毯頭材料費(fèi)胞用4申000額元；光電給定檢器3個月蔽需更換2陰只，光電擁給定器價碼格為88家7.2元耳/只，光竊電給定器槍1年消耗怨費(fèi)用70錫97元；汪輔助電源箭價格為1造161.臥2元/只百，3個月厘需更換1鏡只，其輔向助電源1鐵年消耗費(fèi)城用為46皆45元；鑰控制驅(qū)動邀盒價格為有2150寇.68元舟/只，3毀個月需更攝換1只，碑控制驅(qū)動崖盒1年消持耗費(fèi)用為文8602缸元，全年份所消耗以睡上常用配棍件材料費(fèi)儉用為24蒸344元乏。采用變頻羨調(diào)速電控醋電機(jī)車則粗每年比以甩上調(diào)速方裹式的電機(jī)掙車節(jié)約2艷4344駁元。主牽引電楚機(jī)消耗費(fèi)脹用：直流電夫機(jī)電樞植有易磨浩損的換窗向器、泰勵磁線嫁圈、碳圍刷等，麻長期連廟續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)浙和處于影高溫狀橋態(tài)下散打熱性能境差，絕座緣老化因快，故未障率高校，維修古費(fèi)用大階。一臺電阻平調(diào)速電機(jī)毛車1涌年消耗在哈直流電動訴機(jī)的各項(xiàng)殿費(fèi)用大約慎240刷00元妄，而交流揮變頻調(diào)速篇電機(jī)車電強(qiáng)機(jī)采用交穴流變頻調(diào)克速電動機(jī)孕無需換向情器、碳刷奶及維修電神樞，可靠售性高，定好子散熱性邀好，價格笑低廉，基秀本免維護(hù)闖。維修工時聯(lián)費(fèi)用：粗略計算款（按每年托50周、糾4人參加衰檢修、4盆小時周檢新、平均日毀薪70元巖。月檢可黃減少3人常，）每年串檢修工時歪費(fèi)：50×申3×7脂0=1支050涂0元=度1.0士5萬元電機(jī)車胸電控系舅統(tǒng)變頻予改造后筒，大大趕降低了抽維修量廳，變頻魯器的月胳平均無歲故障時外間為2睜0～3擠0天，氧從而省平去現(xiàn)有志控制系鎖統(tǒng)的周成檢、月橫檢及停芳產(chǎn)檢修糕的維修桑工時費(fèi)仁。改造后的雄電機(jī)車釣1年節(jié)韻約總費(fèi)用降＝414櫻72＋2隔4344瘋＋240烏00＋1美0500照＝100蔽316元遲＝10常萬元，按偷每年生產(chǎn)值11拳個月計算旗，平均每伐月節(jié)省費(fèi)直用911估9.6糊元。改造安一臺機(jī)車岔需投入資痛金大約牧8.0萬傳元，預(yù)計杯1年搭可以收回鳳全部投資麻。因而達(dá)到犁了高效、擔(dān)節(jié)能和減月少企業(yè)支號出的目的追。同時，咬DTC摸變頻調(diào)速害電機(jī)車采持用的是高稍智能計算產(chǎn)機(jī)工業(yè)控搭制模塊，厚并設(shè)有電態(tài)機(jī)溫度自為動檢測及述過流、過叔壓、缺相缺、接地、藏短路等保固護(hù)功能，篩安全可靠臭，事故率檢低，經(jīng)久些耐用，運(yùn)午行成本及刃維護(hù)量小匆，為企業(yè)五贏得了良雀好的經(jīng)濟(jì)舍效益和社萍會效益，廈值得大力狼推廣。新星煤堅(jiān)礦井下哈電機(jī)車志電控系芳統(tǒng)采用歡變頻器膚調(diào)速以憑后，調(diào)井速精度曠高，噪抓聲污染費(fèi)消失，摟操作也婦方便，糊深受現(xiàn)能場操作偵工的歡厲迎；更攤重要的雜是電機(jī)收車運(yùn)行營可靠，值在無電田區(qū)也能國運(yùn)行，猛而且節(jié)聾電效果回顯著，團(tuán)具有非縮慧常明顯像的經(jīng)濟(jì)笛效益和宅社會效租益。從目前哨各種不弓同的技石術(shù)改造汗方案對舅比來看譽(yù)，牽引呈電機(jī)變逼頻器的皮交流調(diào)琴速技術(shù)槳方案是足電機(jī)車伶電控系飽統(tǒng)改造樸的優(yōu)選河方案。沿牽引電故機(jī)變頻嗎器的架壇線式直濁流電機(jī)醒車調(diào)速畫技術(shù)的想新型電森控系統(tǒng)貓已成功易地應(yīng)用事于礦井弄運(yùn)輸設(shè)棟備中，蘋并取得坦了較好渣的運(yùn)行唯經(jīng)驗(yàn)，醬克服了損傳統(tǒng)電唱控系統(tǒng)叉的缺陷亂，在礦敏井運(yùn)輸優(yōu)系統(tǒng)中目值得推受廣應(yīng)用商。六、運(yùn)行處狀況1）新趕調(diào)速系返統(tǒng)的自面動化程牌度高、但轉(zhuǎn)向手購柄和調(diào)橫速手柄傾操作簡幅單，降贏低了司長機(jī)勞動龍強(qiáng)度和撕操作難曉度；運(yùn)盯行噪聲朱低。2）實(shí)現(xiàn)豈提升全過覆程變頻調(diào)述速控制，勞加速運(yùn)行浙平穩(wěn)，調(diào)色速連續(xù)方冷便。低速劫運(yùn)行平穩(wěn)臘，無抖動姻。3）拖動忠力矩大，個電氣制動少平穩(wěn)，制爭動停車準(zhǔn)斯確度高。摩將能量回刮饋電網(wǎng)，夏節(jié)約能源護(hù)，根據(jù)實(shí)葵測節(jié)電達(dá)枕到30%債以上。減扎少機(jī)械的廟沖擊和振體動，機(jī)車虧本體、零川部件的維尊修少，更唐換周期延寄長，延長縣了設(shè)備的時使用壽命點(diǎn)。4）司機(jī)茂控制器的刷維修量大慨大降低（鉆原來司控母器主觸點(diǎn)宣串入主回噸路，觸點(diǎn)電燒壞現(xiàn)象總嚴(yán)重，有報時電弧起島火造成司鍬機(jī)灼傷）親，實(shí)現(xiàn)無輝觸點(diǎn)、無泳級調(diào)速。5）變劍頻控制灘系統(tǒng)的揭司控器色所占空艦間小，三方便司潮機(jī)操作姿，機(jī)車嶺啟動、佩運(yùn)行平刺穩(wěn)，制飲動快速惜，體現(xiàn)誕人本主忘義。七、結(jié)遵論該牽引電基機(jī)變頻調(diào)猜速電控系衰統(tǒng)具有控創(chuàng)制性能優(yōu)壯良、操作舉簡便、運(yùn)浪行效率高富、維護(hù)工仿作量小等練諸多優(yōu)點(diǎn)故，在新星扮煤礦井下尼架線式電灰機(jī)車投入企運(yùn)行以來畢，極大地待提高了電個機(jī)車運(yùn)輸銀系統(tǒng)的安猴全性和可址靠性，確長保了架線拔式電機(jī)高冊質(zhì)量運(yùn)行更，實(shí)現(xiàn)了稱高轉(zhuǎn)矩、餅高精度、武寬調(diào)速范很