基于空間矢量的防爆絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)

基于空間矢量的防爆絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)

防爆絞車是重要的鉆井運(yùn)輸設(shè)備。特別是大型礦山綜合采區(qū)的運(yùn)輸需要2m（以上）以上的絞車裝置，需要低速運(yùn)營(yíng)。2m防爆絞車主要有液壓調(diào)速、串電阻調(diào)速和變頻調(diào)速等幾種調(diào)速方式。與其它幾種調(diào)速方式相比,變頻調(diào)速絞車具有成本低、體積小、效率高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。但是,我國(guó)目前尚不能生產(chǎn)此種絞車,因此,研究和開發(fā)變頻防爆絞車電控裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來,采用PWM(PulseWidthModulation)技術(shù)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。就PWM而言,本質(zhì)在于優(yōu)化開關(guān)函數(shù),使得逆變器按一定規(guī)律輸出電壓或電流。一般說來,有兩種PWM控制的算法,即正弦波脈寬調(diào)制SPWM(SinePulseWidthModulation)算法和電壓空間矢量算法(SVPWM,SpaceVectorPulseWidthModulation)。與SPWM算法相比,SVPWM算法具有直流電壓利用率高,損耗較小,便于數(shù)字化方案的實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP,DigitalSignalProcessor)和智能功率模塊(IPM,IntelligentPowerModule)性價(jià)比迅速提高,它們廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。本文從電壓空間矢量控制原理出發(fā),給出了SVPWM算法在TMS320LF2407上實(shí)現(xiàn)的硬件方法,采用DSP和智能功率模塊DYNEX組成全數(shù)字化絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)。1plc控制系統(tǒng)變頻絞車電控系統(tǒng)(見圖1)可簡(jiǎn)單地劃分為:變頻調(diào)速系統(tǒng)(由輸入電抗器箱+VFD1、變頻器箱+VFD2、輸出電抗器箱+VFD3組成);PLC控制系統(tǒng)(由PLC控制箱+DS、司機(jī)臺(tái)+PA組成);信號(hào)系統(tǒng)(+LM)。變頻調(diào)速系統(tǒng)是根據(jù)PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令,通過對(duì)絞車交流拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和頻率控制,來完成對(duì)絞車的啟動(dòng)、加速、穩(wěn)速、減速、停止等運(yùn)行過程的控制。交流異步電動(dòng)機(jī)采用了矢量控制技術(shù)后,使異步電機(jī)的調(diào)速性能與直流電機(jī)相媲美。表現(xiàn)在低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度高、節(jié)能明顯等。PLC控制系統(tǒng)主要完成絞車從啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行到停車的整個(gè)過程的邏輯控制;行程測(cè)量、控制與指示;故障檢測(cè)、報(bào)警與保護(hù);安全電路及液壓站工作制動(dòng)與安全制動(dòng)控制等。PLC控制系統(tǒng)極大地提高了控制系統(tǒng)本身的安全可靠性,使絞車控制性能和保護(hù)性能更加完善;使控制系統(tǒng)的硬件組成和線路更加簡(jiǎn)化;操作和維護(hù)更加容易。PLC控制系統(tǒng)受信號(hào)系統(tǒng)的控制與閉鎖。信號(hào)系統(tǒng)是根據(jù)上下井口或各個(gè)中段的生產(chǎn)情況,在具備開車條件后,由各水平信號(hào)工以打點(diǎn)的形式,通知司機(jī)按要求開車,同時(shí)與PLC控制系統(tǒng)之間有各種信號(hào)閉鎖,可避免因司機(jī)誤操作造成安全故障。信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部有嚴(yán)格的邏輯閉鎖,并有語音對(duì)講和報(bào)警功能。2頻設(shè)備的開發(fā)2.1平行四邊形法對(duì)于理想三相正弦系統(tǒng),電壓空間矢量定義為Ur=2/3(Ua+ej23πUb+ej43πUc)(1)Ur=2/3(Ua+ej23πUb+ej43πUc)(1)對(duì)于三相電壓源型逆變橋的6個(gè)開關(guān),假設(shè)“1”和“0”分別代表上、下橋臂導(dǎo)通,則共有8種開關(guān)狀態(tài),分別為U0(000)、U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111)。代入式(1)則得到基本電壓矢量圖(見圖2),包括六個(gè)有效矢量(U1～U6)和兩個(gè)零矢量(U0,U7)。按照平行四邊形法則,利用這8個(gè)空間矢量可以合成任意的電壓矢量。以第Ⅰ扇區(qū)為例,由平均值等效原理可得U4T4+U6T6=UrTs(2)由式(2)和三角形正弦定理可得T4=mTssin(60°-θ)(3)T6=mTssinθ(4)T0=Ts-T4-T6式中:θ為參數(shù)矢量與該扇區(qū)第一矢量的夾角,0°<θ<60°;Ts為PWM周期;m為調(diào)制系數(shù);T4為開關(guān)矢量U4的作用時(shí)間;T6為開關(guān)矢量U6的作用時(shí)間;T0為零矢量的作用時(shí)間。2.2s120lpsp電路設(shè)計(jì)為使變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,采用TI公司的TMS320LF2407DSP作為控制電路的核心,和智能功率模塊一起構(gòu)成交—直—交電壓型變頻電路(見圖3),它基本上分為兩部分,即系統(tǒng)主電路和控制電路。2.3igbt/igbt單元變頻器主回路由輸入電抗器、充電限流電阻、整流單元、儲(chǔ)能濾波電容和IPM三相逆變器電路構(gòu)成(見圖4)。該系統(tǒng)前端AFE整流回饋單元采用400A/3300VIGBT每相3并聯(lián),AFE整流回饋單元直流電容選用HITEC公司的HCGF5/450V每組6串聯(lián)共9組,每只IGBT上一組電容。該系統(tǒng)后端逆變單元采用400A/3300VIGBT(可選DYNEX、MITSUBLISH、EUPEC)每相3并聯(lián),后端逆變單元直流電容選用HITEC公司的HCGF5/450V每組6串聯(lián)共9組,每只IGBT上一組電容。前端AFE整流回饋單元Stack與后端逆變單元Stack采用相同的電氣結(jié)構(gòu)。2.4dsp的執(zhí)行過程控制電路的主要功能是根據(jù)設(shè)定的頻率值,生成SVPWM波形。控制電路主要由TMS320LF2407、24LC256、MG-12232、鍵盤等組成。采用TMS320LF240系統(tǒng)生成SVPWM波形最為方便且精度高,這是由它的優(yōu)越性能決定的。其基本特性有:①采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),使得供電電壓降為3.3V,減少了控制器的損耗;②30MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns,從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力;③片內(nèi)高達(dá)32K字的FIASH程序存儲(chǔ)器,高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)程序RAM,544字雙口RAM(DRAM)和2K字的單口RAM(SRAM);④10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,可選擇由兩個(gè)事件轉(zhuǎn)換器來觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器;⑤看門狗定時(shí)器模塊;⑥基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器;⑦高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO);⑧5個(gè)外部中斷(功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、不可屏蔽中斷和兩個(gè)可屏蔽中斷);⑨兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB,每個(gè)包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn):三相反相器控制;PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形;當(dāng)外部引腳PDPINTXˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉΡDΡΙΝΤXˉ出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉PWM通道;可編程的PWM死區(qū)控制以防止同一相的上、下橋臂兩者同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖;3個(gè)捕獲單元;片內(nèi)光電編碼器接口電路。利用DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的關(guān)鍵是在每一個(gè)PWM周期里,合理分配Ux,Ux±60,U0或U7。對(duì)于TMS320LF2407來說,可以通過該芯片上的SVPWM硬件模塊來直接實(shí)現(xiàn)。具體執(zhí)行過程如下:①設(shè)置ACTRx寄存器用來定義比較輸出引腳的輸出方式;②設(shè)置COMCONx寄存器來使能比較操作和空間矢量PWM模式,并且把CMPRx的重裝入條件設(shè)置為下溢;③將通用定時(shí)器1或3設(shè)置成連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式,并啟動(dòng)定時(shí)器;④確定兩個(gè)相鄰向量,Ux和Ux+60;⑤計(jì)算參數(shù)T4、T6和T0;⑥將相應(yīng)的Ux的開啟方式寫入到ACTRx.14～12位中,并將1寫入ACTRx.15中,或者將Ux+60的開啟方式寫入到ACTRx.14～12位中,并將0寫入ACTRx.15中;⑦將二分之一T4的值寫入到CMPR1寄存器中,將二分之一(T4+T6)的值寫入到CMPR2寄存器中。2.5主程序的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序包括主程序、顯示子程序,SVPWM中斷服務(wù)子程序,PI子程序等。主程序先完成初始化工作,然后根據(jù)控制策略計(jì)算出需要的頻率,等待中斷的產(chǎn)生即可。在定時(shí)中斷子程序中,根據(jù)此時(shí)f和Uout的當(dāng)前位置,查轉(zhuǎn)換模式表得到需要的主矢量和輔矢量,并計(jì)算出它們分別作用的時(shí)間T4和T6。3b板u1mc14504b經(jīng)過近一年的試制,500kW/1140V四象限隔爆兼本安型智能變頻調(diào)速裝置于2005年底在朱莊礦地面進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測(cè)試,并在暗立井投入運(yùn)行。該系統(tǒng)投入運(yùn)行兩天后在逆變器內(nèi)部溫度超過45℃時(shí)出現(xiàn)電機(jī)喘振現(xiàn)象,在啟動(dòng)過程中出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象,電機(jī)電流波形正負(fù)不對(duì)稱。試運(yùn)行兩天后該裝置逆變器內(nèi)部C相IGBT炸毀。對(duì)損壞單元進(jìn)行修復(fù),并進(jìn)行了系統(tǒng)的全面檢測(cè)。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)逆變器內(nèi)部C相下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)有時(shí)中斷,最后查到PIB板U1(MC14504B)的14角焊接問題,U1是將主板發(fā)出的6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)板的隔離放大模塊。14角為C相下橋的驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào),應(yīng)在PIB板上雙面焊接,但實(shí)際焊接時(shí)該管腳插彎,并未插至印制版背面,產(chǎn)生虛接。如果不是這種虛接,即使波形不好也不會(huì)損壞IGBT。經(jīng)過以上事故后,對(duì)所有的焊接處進(jìn)行了檢查修復(fù),并對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了完整的短路測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)均正常。2006年5月底,技術(shù)人員在朱莊礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在0～5Hz運(yùn)行溫度超過47℃時(shí)輸出電流不對(duì)稱現(xiàn)象,在6～50Hz任何溫度狀況下輸出電流波形正常,在46℃以下任何頻率段輸出電流波形正常。該故障經(jīng)測(cè)試雖不會(huì)造成變頻器損壞,但運(yùn)行溫度超過47℃時(shí)會(huì)影響到絞車的低速運(yùn)行性能。經(jīng)過對(duì)軟件進(jìn)行全面測(cè)試,對(duì)硬件進(jìn)行仿真高溫測(cè)試,特別對(duì)關(guān)鍵器件加熱后進(jìn)行測(cè)試,以及對(duì)性能進(jìn)行全面測(cè)試。結(jié)果軟件測(cè)試未發(fā)現(xiàn)問題;對(duì)所有控制系統(tǒng)高溫仿真測(cè)試,經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè),發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)板ZD1、ZD2的兩個(gè)穩(wěn)壓管在溫度超過45℃時(shí)漏電流會(huì)逐漸增大,從而導(dǎo)致Q5、Q6兩個(gè)三極管誤觸發(fā)。將R31、R33電阻改為1K后系統(tǒng)正常,所有器件溫度即使超過75℃都能正常工作。2006年7月15日,朱莊礦副暗立井絞車電控進(jìn)行改造,500kW/1140V防爆變頻裝置投入運(yùn)行,對(duì)各種負(fù)載狀況、運(yùn)行方式、保護(hù)性能、諧波等進(jìn)行了測(cè)試,認(rèn)為該系統(tǒng)已經(jīng)基本滿足了研制技術(shù)要求,可以正常使用,目前運(yùn)行狀況良好。4煤礦交流提升機(jī)電控本項(xiàng)目的研制,解決了我國(guó)井下大容量(315kW以上)的提升機(jī)其電器設(shè)備不防爆、技術(shù)落后、安全