中礦傳動(dòng)技術(shù)交流

理論實(shí)踐

2022年4月25日發(fā)布

       大型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)從早期的F-D驅(qū)動(dòng)技術(shù)到SCR-D全數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了三代的發(fā)展，尚處于停滯不前，隨著PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)在小功率直流電機(jī)上的廣泛應(yīng)用，可主動(dòng)消除電網(wǎng)諧波，提高功率因數(shù)，大型直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)有待于進(jìn)一步的完善開(kāi)發(fā)。

       為解決可控硅驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)提升機(jī)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，我司開(kāi)發(fā)了兆瓦級(jí)高性能四象限直流PWM調(diào)速裝置，功率器件采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)IGBT并聯(lián)技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)階段功率器件耐流低、容量小的缺陷，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。兆瓦級(jí)高性能四象限直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)子(電樞)側(cè)引入全控功率變換單元，可對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)及諧波進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，主動(dòng)消除變流裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除無(wú)功沖擊，節(jié)約電能。

1、變流器功率回路結(jié)構(gòu)

        IGBT全控PWM直流調(diào)速電控系統(tǒng)的直流電機(jī)電樞側(cè)引入全控功率變換單元，通過(guò)PWM控制直流斬波進(jìn)行調(diào)速，全控整流單元在提供穩(wěn)定直流電壓的同時(shí)，可對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和諧波進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的諧波影響可忽略不計(jì)。磁場(chǎng)側(cè)采用創(chuàng)新的DC/DC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，省去了勵(lì)磁開(kāi)關(guān)柜和勵(lì)磁變壓器，并且采用全控變換單元，性能更優(yōu)。

圖1  MW級(jí)直流電機(jī)電控系統(tǒng)裝置

      本變流器中采用了如圖2所示的新型HV-IGBT功率器件。IGBT是器件與驅(qū)動(dòng)電路的總和。在IGBT中，一些主要驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)和功能都已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化了。僅需要考慮符合要求的驅(qū)動(dòng)電源、控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換和恰當(dāng)?shù)臋C(jī)械裝配，這些涉及到驅(qū)動(dòng)電源的標(biāo)準(zhǔn)、隔離、光纖控制界面、控制信號(hào)、診斷和保護(hù)以及周邊環(huán)境的設(shè)計(jì)原則和要求。

圖2  IGBT元器件

2、功率疊層母線

       在功率變換器的換流過(guò)程中，由于線路寄生電感側(cè)存在會(huì)引發(fā)瞬時(shí)的關(guān)斷過(guò)電壓，對(duì)功率器件造成不利的影響，在關(guān)斷過(guò)電壓過(guò)高時(shí)，甚至?xí)斐晒β势骷膿p壞，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)電磁干擾等問(wèn)題。在中小功率應(yīng)用中，可通過(guò)施加吸收回路來(lái)抑制關(guān)斷過(guò)電壓，如RCD電路等。但在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，由于換流過(guò)程中寄生電感所含能量較大，如果通過(guò)吸收電路來(lái)進(jìn)行過(guò)電壓抑制，則需要較大容量的高頻吸收電容和吸收電阻，這將會(huì)進(jìn)一步引入電容制造高要求和能耗增大等問(wèn)題。因此在大功率IGBT變換器中，并不采用附加吸收回路的方法來(lái)抑制關(guān)斷過(guò)電壓。為減小開(kāi)關(guān)損耗，一般大功率電力電子器件均采用硬開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)關(guān)速率通常為微秒級(jí)，在如此之快的關(guān)斷速率下，要限制關(guān)斷過(guò)電壓的最有效辦法是減小換流回路的寄生電感。

       在大功率功率變換器中，普遍使用如圖3所示的疊層母線連線方式，和傳統(tǒng)的連接電纜相比，采用平板導(dǎo)體加絕緣層的疊層母線具有結(jié)構(gòu)緊湊、低雜散電感和良好的散熱性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖3  層疊母線示意圖

3、堆棧式功率組件

     在功率疊層母線設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，功率組件采用了圖4單元式設(shè)計(jì)，功率柜采用了圖5組件堆棧式設(shè)計(jì)，該工藝結(jié)構(gòu)層次清晰，既提高了變流器的功率密度，又方便設(shè)備的維護(hù)與檢修。

圖4  功率組件單元

圖5 功率柜設(shè)計(jì)模型

       結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局要求，按圖6設(shè)計(jì)變流器全套柜體組合。

圖6 變流器柜體設(shè)計(jì)模型

4、考慮結(jié)溫效應(yīng)的功率器件損耗分析

從文獻(xiàn)調(diào)查來(lái)看，我國(guó)對(duì)MW級(jí)變流器的研究重點(diǎn)還主要局限在主電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)方面，對(duì)其散熱系統(tǒng)的研究較少。但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，散熱性能的好壞直接影響到變流器的可靠性以及使用壽命，惡劣的情況下甚至能直接導(dǎo)致功率器件的損壞。因此準(zhǔn)確地計(jì)算功率器件的損耗可優(yōu)化變流器的散熱設(shè)計(jì)，保障變流器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。從實(shí)用性方面考慮，變流器中通常采用IGBT和反并聯(lián)快速恢復(fù)二極管集成封裝的IGBT模塊，其總損耗為Pmod=PT+PD。圖7是IGBT模塊的散熱模型，從圖中可以看出，功率器件芯片由損耗產(chǎn)生的熱量通過(guò)基板和散熱器傳遞到空氣中，最終達(dá)到熱平衡。根據(jù)IGBT模塊的散熱模型可建立其熱阻等效電路從而計(jì)算出各功率器件的結(jié)溫。功率器件的損耗等效為電流源，熱阻等效為電阻，熱阻上產(chǎn)生的溫差等效為電壓。圖8中，Rthjc,T和Rthjc,D分別為IGBT和二極管的芯片到基板的熱阻；Rthch和Rthha分別為基板到散熱器和散熱器到環(huán)境的熱阻；Rthca為基板到環(huán)境的熱阻，其熱阻值遠(yuǎn)大于Rthch和Rthha，可以忽略不計(jì)。Tvj,T和Tvj,D分別為IGBT和二極管的結(jié)溫；Tc和Th分別為基板和散熱器的溫度；Ta為環(huán)境溫度。

圖7 IGBT模塊散熱模型

圖8  IGBT熱阻電路圖

由熱阻等效電路可以得出IGBT和二極管的結(jié)溫以及基板和散熱器的溫度表達(dá)式，如下：           

  （4-1）

       通常IGBT模塊手冊(cè)會(huì)分別給出IGBT和二極管基板到散熱器的熱阻Rthch,T和Rthch,D，因此基板到散熱器的熱阻可表示成兩熱阻并聯(lián)，即

                              （4-2）

        本項(xiàng)目的變流器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，散熱器由很多塊金屬平板組成，平板之間存在間隙。散熱器到環(huán)境的熱阻公式如下     

   （4-3）

式中，L，l和b分別為散熱器平板的長(zhǎng)度，寬度和厚度；n為平板的個(gè)數(shù)；Ks為散熱器金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)；A為散熱器的總表面積；vs為風(fēng)機(jī)風(fēng)速。

5、礦井提升機(jī)非線性懸停控制器

       在煤礦的安全生產(chǎn)過(guò)程中，礦井提升機(jī)主要承擔(dān)著提升煤炭、提升與下放設(shè)備及礦井工人運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，為此，不僅需要對(duì)提升機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制，還需要對(duì)提升機(jī)進(jìn)行懸停控制。通常，礦井提升機(jī)靜止的時(shí)候多通過(guò)外圍機(jī)械抱閘設(shè)備使其靜止不動(dòng)，以方便物品及人員的進(jìn)出提升罐籠，當(dāng)提升機(jī)準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，首先要對(duì)機(jī)械抱閘設(shè)備進(jìn)行松閘，此時(shí)為了保證配重及提升貨物（人員）的重量平衡，電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備需要采取有效的懸?？刂品椒ㄑ杆俣椒€(wěn)的提供與負(fù)載力矩相反的初始轉(zhuǎn)矩，從而避免遛坡現(xiàn)象。不僅如此，在某些特殊情況下，礦井提升機(jī)控制裝置還需要具備在外圍機(jī)械抱閘設(shè)備不抱閘的前提下實(shí)現(xiàn)短時(shí)乃至長(zhǎng)時(shí)間懸停提升物的能力?？梢?jiàn)，對(duì)礦井提升機(jī)懸?？刂蒲b置及方法的研究是非常有必要的，并且具有工業(yè)應(yīng)用實(shí)際意義。

       傳統(tǒng)的針對(duì)礦井提升機(jī)的懸?？刂品椒ǘ嗖捎弥绷麟娏髯⑷敕?，其改進(jìn)的方法為PI調(diào)節(jié)器控制法。采用PI調(diào)節(jié)器作為懸?？刂品椒ǖ膶?shí)現(xiàn)形式在控制參數(shù)選擇上存在矛盾，其結(jié)果是礦井提升機(jī)在某一位置附近抖動(dòng)，是無(wú)法有效解決礦井提升機(jī)懸?？刂茊?wèn)題的。

       針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)這種情況提出一種基于零速啟動(dòng)的變流器非線性懸?？刂破鳎瑥谋举|(zhì)上解決問(wèn)題。非線性懸?？刂破魇遣捎靡环N基于初始力矩快速平滑識(shí)別的零速控制方案。可應(yīng)用于有速度傳感器或無(wú)速度傳感器矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，適用于具有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電機(jī)，如異步電機(jī)、同步電機(jī)。應(yīng)用該方法及裝置可以有效避免傳統(tǒng)礦井提升機(jī)懸停控制及懸停零速啟動(dòng)控制中溜坡距離大、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于有速度傳感器的提升系統(tǒng)，還大大降低了系統(tǒng)速度傳感器在零速條件下觀測(cè)精度給系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)面影響，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、收斂速度更快，具備較好的速度控制及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能。

       非線性懸?？刂破鲗?shí)現(xiàn)原理如下：

速度給定信號(hào)ωref及實(shí)際轉(zhuǎn)速ωr構(gòu)成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的速度閉環(huán)控制，速度給定信號(hào)ωref減去實(shí)際轉(zhuǎn)速ωr得到速度偏差量Δωr，進(jìn)而求取其幅值|Δωr|，具體可按下式計(jì)算：

Δωr=ωref-ωr                                     (5-1)

       采集速度比較及處理環(huán)節(jié)輸出的實(shí)際轉(zhuǎn)速ωr及其幅值|ωr|，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行初始轉(zhuǎn)矩觀測(cè)，輸出初始轉(zhuǎn)矩Tref1，設(shè)定初始轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)為η，觀測(cè)的初始轉(zhuǎn)矩Tref1為：

   (5-2)

      采集速度比較及處理環(huán)節(jié)輸出的速度偏差量Δωr及其幅值|Δωr|，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行初始轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量估測(cè)，輸出初始轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量Tref2，設(shè)定初始轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量增益系數(shù)為λ，估測(cè)的初始轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量Tref2為：

 (5-3)

      綜合初始轉(zhuǎn)矩Tref1及初始轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)量Tref2，輸出電磁轉(zhuǎn)矩給定信息量Tref供給電機(jī)控制環(huán)節(jié)：       

 (5-4)     

圖9  非線性懸停原理圖

6、多CPU多總線協(xié)同工作控制器研制

       直流雙閉環(huán)控制需要在較短的采樣周期內(nèi)完成輸入輸出處理、內(nèi)外環(huán)調(diào)節(jié)等運(yùn)算工作，對(duì)處理器的運(yùn)算速度和精度要求較高；大功率直流調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中處于關(guān)鍵地位，系統(tǒng)可靠性必須有良好的保證。為達(dá)到良好的控制和運(yùn)行效果，本系統(tǒng)采用多板卡多總線結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10  多板卡多總線結(jié)構(gòu)圖

       系統(tǒng)板卡組成包括：電源管理單元、中央處理單元、脈沖處理單元和輔助處理單元，電源管理單元監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)字電源和模擬電源的供電情況，對(duì)電源故障及時(shí)處理并提供短時(shí)后備支持。

      脈沖處理單元采用“DSP+FPGA+CPLD”設(shè)計(jì)，如圖12所示。主要實(shí)現(xiàn)直流母線電壓控制、單位功率因數(shù)控制、脈沖觸發(fā)信號(hào)及觸發(fā)信號(hào)握手等功能；電樞側(cè)功率變換單元控制器實(shí)現(xiàn)DC/DC變換控制、速度跟蹤控制、雙閉環(huán)控制、脈沖觸發(fā)信號(hào)及觸發(fā)信號(hào)握手等功能；磁場(chǎng)側(cè)功率變換單元控制器實(shí)現(xiàn)DC/DC變換控制、勵(lì)磁電流控制、脈沖觸發(fā)信號(hào)等功能。

圖11  脈沖處理單元示意圖

圖12  控制電路板

      如圖13所示的中央處理單元以“DSP+ CPLD”為核心，DSP采用高性能雙核處理器28377D，提供協(xié)同運(yùn)算支持，通過(guò)平行總線實(shí)現(xiàn)功率變換單元控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能，通訊接口通過(guò)PROFINET總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制字與狀態(tài)字的傳輸。

圖13   中礦傳動(dòng)28377D雙核處理器

       本系統(tǒng)AD、DA轉(zhuǎn)換操作均由FPGA接管，基于同步操作的要求，實(shí)際AD轉(zhuǎn)換速率為500K，DA接口在本系統(tǒng)中主要用來(lái)輸出內(nèi)部運(yùn)算量進(jìn)行觀察調(diào)試，在FPGA中重構(gòu)出16級(jí)深度的16位FIFO和SPI內(nèi)核對(duì)其進(jìn)行控制，可提供高速穩(wěn)定的DA轉(zhuǎn)換操作。

       本系統(tǒng)針對(duì)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了并行和串行兩路板級(jí)總線，并行總線為16為寬度，同步時(shí)序操作，主要和中央處理單元的交換實(shí)時(shí)性高的運(yùn)算數(shù)據(jù)；串行總線也為同步工作方式，提供數(shù)據(jù)回檢、板級(jí)工作狀態(tài)等功能。

針對(duì)系統(tǒng)的抗干擾要求，板級(jí)總線的主要控制信號(hào)均采用差分傳輸方式，并采用統(tǒng)一時(shí)鐘管理模式進(jìn)行同步操作，考慮到數(shù)據(jù)流方向并不復(fù)雜，總線調(diào)度采用輪詢方式進(jìn)行。

表1 技術(shù)功能對(duì)比表

1、啟動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊，降低電機(jī)的噪音和故障率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)、軟停止，降低設(shè)備沖擊損耗。

2、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，達(dá)到0.99，輸出階梯正弦波，電流諧波小，不需功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置，對(duì)電纜、電機(jī)絕緣無(wú)損害。

3、新式IGBT結(jié)構(gòu)變流器效率達(dá)到98%以上，進(jìn)一步降低電能消耗。

4、變流裝置采用新一代IGBT控制技術(shù)，較上一代可控硅整流技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、功耗低、發(fā)熱小、故障率低、可靠性強(qiáng)、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，是大型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展方向，能夠保證礦井提升系統(tǒng)高效安全運(yùn)轉(zhuǎn)，具有廣泛的社會(huì)效益。

  （本稿件由中礦傳動(dòng)市場(chǎng)部整理編輯，經(jīng)中礦傳動(dòng)技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)審核授權(quán)發(fā)布?。?/span>

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