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架線式煤礦電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置
1引言
礦用架線電機(jī)車(chē)一般都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)具有良好的牽引特性。但它仍存在以下問(wèn)題：①能耗大。由于生產(chǎn)過(guò)程中,要經(jīng)常變速運(yùn)行,因而直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和變速回路中都需串接電阻,這樣約有20%~30%的電能消耗在電阻上被浪費(fèi)掉; ②故障率高。直流電動(dòng)機(jī)的電刷和滑環(huán)極易出現(xiàn)故障,且直流電動(dòng)機(jī)的造價(jià)要高于同容量的交流電動(dòng)機(jī); ③安全性差。直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)換向火花,隔爆要求較高。本文采用變頻調(diào)速技術(shù)解決架線電機(jī)車(chē)的調(diào)速問(wèn)題。
2變頻調(diào)速方式
變頻調(diào)速通常有兩種方式,一是采用交一交變頻方式,一是采用交一直一交變頻方式。對(duì)架線電機(jī)車(chē)而言,筆者認(rèn)為宜采用交一直一交變頻的方式。具體實(shí)施時(shí),可以在每臺(tái)電機(jī)車(chē)上設(shè)置一套逆變裝置,把從架空電網(wǎng)上獲取的直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電,逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī),圖1是其基本原理框圖。
圖1交一直一交變頻方式的基本原理框圖
3逆變器的控制
(1)SVPWM的控制原理
由變頻調(diào)速的基本原理得知,變頻的同時(shí)必須變壓。由于架空電網(wǎng)的的直流電壓不能改變,因而只能對(duì)逆變后的輸出電壓進(jìn)行調(diào)制。通常采用的是脈寬調(diào)制(PWM)方法。傳統(tǒng)的PWM技術(shù)是用正弦波來(lái)調(diào)制三角波,以獲得等幅不等寬的PWM矩形波,這樣的PWM波形與期望的正弦波等效。但這種經(jīng)典的PWM控制只是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦撥,并未顧及輸出電流的波形。交流電動(dòng)機(jī)需要恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,所以我們可以把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)看成是一個(gè)整體,按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作。系統(tǒng)中使用的控制技術(shù)是磁鏈跟蹤控制,又稱電壓空間矢量
SVPWM(SpaceVectorPWM)控制。
1)SVPWM的原理
當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相平衡正弦電壓供電時(shí),對(duì)每一相都可寫(xiě)出一個(gè)電壓平衡方程式,將三相的電壓平衡方程式相加,即可得到用合成空間矢量表示的定子電壓方程式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為:
可見(jiàn),當(dāng)磁鏈幅值恒定時(shí), “的大小與∞(供電電壓頻率)成正比,方向是沿著磁鏈圓的切線方向,因而,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。
2)扇區(qū)的劃分
首先要對(duì)“進(jìn)行坐標(biāo)變換。在坐標(biāo)系中, “可分解為“和“婦。
然后再把它從兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系,即是把“和“婦投影到三維坐標(biāo)系上,即可得到a, b, C坐標(biāo),具體扇區(qū)的劃分如圖2所示。
圖2扇區(qū)劃分圖
(2)SVPWM調(diào)制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)
SVPWM的調(diào)制載波也是等腰三角波,為了使輸出的PWM波對(duì)稱,在一個(gè)載波周期內(nèi),把3個(gè)矢量的作用時(shí)間一分為二,并且保證在矢量切換時(shí)只有一個(gè)開(kāi)關(guān)期間動(dòng)作,從而可降低開(kāi)關(guān)損耗,減少輸出電壓的諧波。具體數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí),需預(yù)先計(jì)算出三相脈沖的開(kāi)通前沿的延遲時(shí)間,建立一個(gè)三相脈沖前沿時(shí)間查詢表存人計(jì)算機(jī)。
4架線電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
架線式煤礦電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置由主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)隔離電路組成。其中,單片機(jī)80C196MC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心 80C196MC是一種專為電機(jī)高速控制設(shè)計(jì)的16位微控制器,它的波形發(fā)生器WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的三相6路PWM波它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式,而且一旦啟動(dòng)后,WFG只要求CPU在改變PWM占空比時(shí)加以干涉,因此,特別適用于三相交流感應(yīng)電機(jī)。系統(tǒng)中80C196MC接受來(lái)自外部的控制信息按預(yù)定算法實(shí)時(shí)計(jì)算三相SVPWM波形數(shù)據(jù),并產(chǎn)生三相6路PWM信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)逆變功率開(kāi)關(guān)器件IGBT。此外,單片機(jī)要對(duì)輸入的定子電壓、電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并對(duì)故障中斷信號(hào)進(jìn)行處理。圖3是系統(tǒng)的硬件原理框圖。
圖3架線電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖
5結(jié)語(yǔ)
礦用架線電機(jī)車(chē)改用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)并采用單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)之后,電機(jī)車(chē)比較容易實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速以及再生制動(dòng),可降低能耗,且變頻調(diào)速的的性能好,調(diào)速范圍大,靜態(tài)穩(wěn)定性好。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制,控制操作簡(jiǎn)易、可靠性高。由于逆變器采用了SVPWM控制方式,就使逆變器輸出的線電壓的基波最大值為直流側(cè)電壓,比常用的PWM逆變器輸出電壓可提高15%。
礦用架線電機(jī)車(chē)一般都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),這是因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)具有良好的牽引特性。但它仍存在以下問(wèn)題：①能耗大。由于生產(chǎn)過(guò)程中,要經(jīng)常變速運(yùn)行,因而直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和變速回路中都需串接電阻,這樣約有20%~30%的電能消耗在電阻上被浪費(fèi)掉; ②故障率高。直流電動(dòng)機(jī)的電刷和滑環(huán)極易出現(xiàn)故障,且直流電動(dòng)機(jī)的造價(jià)要高于同容量的交流電動(dòng)機(jī); ③安全性差。直流電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)出現(xiàn)換向火花,隔爆要求較高。本文采用變頻調(diào)速技術(shù)解決架線電機(jī)車(chē)的調(diào)速問(wèn)題。
2變頻調(diào)速方式
變頻調(diào)速通常有兩種方式,一是采用交一交變頻方式,一是采用交一直一交變頻方式。對(duì)架線電機(jī)車(chē)而言,筆者認(rèn)為宜采用交一直一交變頻的方式。具體實(shí)施時(shí),可以在每臺(tái)電機(jī)車(chē)上設(shè)置一套逆變裝置,把從架空電網(wǎng)上獲取的直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電,逆變器輸出側(cè)的負(fù)載為交流電動(dòng)機(jī),圖1是其基本原理框圖。
圖1交一直一交變頻方式的基本原理框圖
3逆變器的控制
(1)SVPWM的控制原理
由變頻調(diào)速的基本原理得知,變頻的同時(shí)必須變壓。由于架空電網(wǎng)的的直流電壓不能改變,因而只能對(duì)逆變后的輸出電壓進(jìn)行調(diào)制。通常采用的是脈寬調(diào)制(PWM)方法。傳統(tǒng)的PWM技術(shù)是用正弦波來(lái)調(diào)制三角波,以獲得等幅不等寬的PWM矩形波,這樣的PWM波形與期望的正弦波等效。但這種經(jīng)典的PWM控制只是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦撥,并未顧及輸出電流的波形。交流電動(dòng)機(jī)需要恒定的電磁轉(zhuǎn)矩,所以我們可以把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)看成是一個(gè)整體,按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器的工作。系統(tǒng)中使用的控制技術(shù)是磁鏈跟蹤控制,又稱電壓空間矢量
SVPWM(SpaceVectorPWM)控制。
1)SVPWM的原理
當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相平衡正弦電壓供電時(shí),對(duì)每一相都可寫(xiě)出一個(gè)電壓平衡方程式,將三相的電壓平衡方程式相加,即可得到用合成空間矢量表示的定子電壓方程式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為:
可見(jiàn),當(dāng)磁鏈幅值恒定時(shí), “的大小與∞(供電電壓頻率)成正比,方向是沿著磁鏈圓的切線方向,因而,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡。
2)扇區(qū)的劃分
首先要對(duì)“進(jìn)行坐標(biāo)變換。在坐標(biāo)系中, “可分解為“和“婦。
然后再把它從兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系,即是把“和“婦投影到三維坐標(biāo)系上,即可得到a, b, C坐標(biāo),具體扇區(qū)的劃分如圖2所示。
圖2扇區(qū)劃分圖
(2)SVPWM調(diào)制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)
SVPWM的調(diào)制載波也是等腰三角波,為了使輸出的PWM波對(duì)稱,在一個(gè)載波周期內(nèi),把3個(gè)矢量的作用時(shí)間一分為二,并且保證在矢量切換時(shí)只有一個(gè)開(kāi)關(guān)期間動(dòng)作,從而可降低開(kāi)關(guān)損耗,減少輸出電壓的諧波。具體數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí),需預(yù)先計(jì)算出三相脈沖的開(kāi)通前沿的延遲時(shí)間,建立一個(gè)三相脈沖前沿時(shí)間查詢表存人計(jì)算機(jī)。
4架線電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
架線式煤礦電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置由主電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)隔離電路組成。其中,單片機(jī)80C196MC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心 80C196MC是一種專為電機(jī)高速控制設(shè)計(jì)的16位微控制器,它的波形發(fā)生器WFG可產(chǎn)生獨(dú)立的三相6路PWM波它們有共同的載波頻率、無(wú)信號(hào)時(shí)間和操作方式,而且一旦啟動(dòng)后,WFG只要求CPU在改變PWM占空比時(shí)加以干涉,因此,特別適用于三相交流感應(yīng)電機(jī)。系統(tǒng)中80C196MC接受來(lái)自外部的控制信息按預(yù)定算法實(shí)時(shí)計(jì)算三相SVPWM波形數(shù)據(jù),并產(chǎn)生三相6路PWM信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)逆變功率開(kāi)關(guān)器件IGBT。此外,單片機(jī)要對(duì)輸入的定子電壓、電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并對(duì)故障中斷信號(hào)進(jìn)行處理。圖3是系統(tǒng)的硬件原理框圖。
圖3架線電機(jī)車(chē)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖
5結(jié)語(yǔ)
礦用架線電機(jī)車(chē)改用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)并采用單片機(jī)控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)之后,電機(jī)車(chē)比較容易實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速以及再生制動(dòng),可降低能耗,且變頻調(diào)速的的性能好,調(diào)速范圍大,靜態(tài)穩(wěn)定性好。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制,控制操作簡(jiǎn)易、可靠性高。由于逆變器采用了SVPWM控制方式,就使逆變器輸出的線電壓的基波最大值為直流側(cè)電壓,比常用的PWM逆變器輸出電壓可提高15%。
