交-交變頻器控制系統的無環流保護研究

劉國榜

(寶鋼梅山鋼鐵礦業分公司 江蘇 南京 210041)

交-交變頻器控制系統的無環流保護研究

劉國榜

(寶鋼梅山鋼鐵礦業分公司 江蘇 南京 210041)

梅山鐵礦2號主井提升機采用交-交變頻矢量控制系統,為更好控制交-交變頻器回路中不流經負載的無用電流,注重交-交變頻系統的無環流保護方案,根據環電流的換向邏輯,通過邏輯參數分析和電流斷續補償,使主回路電流很小甚至斷續時,系統都能正常工作。該無環流保護策略在梅山礦業公司2號主井矢量控制系統得到成功運用。

提升系統；交-交變頻器；零電流檢測；無環流換向邏輯

隨著工業生產技術的逐步提高,變頻器使用范圍的逐步加大,處理好變頻器系統的諧波干擾成了變頻器進一步推廣關鍵,特別是在對諧波要求高的場所。交-交變頻,特別是無環流交-交變頻系統已運用于大容量的電動機調速系統。其中零電流檢測,進行無環流保護是個關鍵［1］。

1 零電流檢測方案、無環流換向邏輯理論及參數分析

1.1 零電流檢測

零電流檢測環節用于向無環流換向邏輯提供零電流信號。在直流傳動系統中,零電流信號大多通過電流實際值信號與一個基準值相比較而獲得［2］。這種方法簡單,靈敏度低,無環流“死時”達5 ms,不能滿足交-交變頻器的要求。

新的零電流檢測環節基于測量變頻器中每個臂的晶閘管壓降,晶閘管導通時管壓降為零,關斷時管壓降不為零,如果一個橋中6個臂的管壓降均不為零,則表示“零”電流狀態,只要有一個臂的管壓降等于零,就是“有電流”狀態。

由于晶閘管對地電壓高,所以用光耦合器測量管壓降。其線路見圖1,在晶閘管阻斷期間,電流流過發光二極管使其發光,光敏晶體管導通,輸出高電平。在晶閘管導通期間,輸出低電平。

圖1 晶閘管管壓降檢測原理電路Fig.1 Detecting thyristo voltage drop principle circuit

在晶閘管阻斷期間,由于其管壓降是交流電壓,存在自然過零點,上述檢測方法會在此處誤發“有電路”信號。為克服該缺點,特引入觸發脈沖信號,在無觸發脈沖的區間出現“有電流”信號不是真的“有電流”［3］。

1.2 無環流換向邏輯

無環流換向邏輯用于控制正反向兩組觸發脈沖的釋放和封鎖,實現無環流切換。無環流換向邏輯應滿足下述要求:

1）在電流給定、極性反向后,準備切換。

2）在零電流信號出現后,經第一級延時封鎖原工作脈沖。

3）兩組脈沖都封鎖后,經第二級延時發送待工作脈沖,換向操作結束。

和直流傳動不同,交-交變頻器要求無環流“死時”小于2ms。

無環流“死時”由兩級延時造成,我們先討論在可逆直流傳動系統中常用的無環流邏輯的延時時間,然后看如何使它們縮短。

第一級延時用于可靠的檢測零電流,在直流傳動系統中,零電流信號通過比較電流實際值信號和某基準值而獲得,見圖2。基準值不能取得太小,否則會引起誤動作,因此在零電流信號出現時電流沒斷續,如果封鎖工作組脈沖,晶閘管無法阻斷。為避免發生這種情況而引入第一級延時,只有零電流信號持續時間大于整定時間時才封鎖工作組脈沖,例如圖中第三個零電流脈沖情況,這時主回路電流一定斷續。第一級延時一般整定為1～1.5 ms［4-5］。

經第一級延時,無環流換向邏輯發出封鎖指令,但有可能在指令發出瞬間下一個晶閘管已被觸發,雖然脈沖已被封鎖,但晶閘管仍導通,要持續到b點才阻斷。如果在a點發送待工作組脈沖,會造成電源短路,換向失敗,為此需要第二級延時,待工作組脈沖在第二級延時結束后才發送。第二級延時時間大于3.3 ms,因為在電流斷續時,每個電流波持續時間小于3.3 ms,延時3.3 ms后原導通的晶閘管肯定已阻斷,由于沒有觸發脈沖,也不會有新的晶閘管再導通,這時發送待工作組脈沖不會產生環流。

圖2 主電路電流及零電流信號Fig.2 Main circuit current and zero current signal

上述兩級延時加起來,總“死時”約5ms,這對交-交變頻器來說太長了。要減小“死時”,必須采用前面介紹的光電零電流檢測。光電零電流檢測從原理上說不存在零電流信號出現而主回路電流不是零的情況,兩級延時都取消。實際上,為防止干擾,第一級延時被保留,但減小到0.3 ms,如果零電流信號持續時間超過0.3 ms,則說明它不是干擾信號,而是實際“零電流”,封鎖工作組脈沖,第二級延時也保留,但作用不同,它主要用來防止在邏輯動作時間里新的晶閘管被觸發。在原工作組封鎖后第一階段時間,若在這段時間里沒電流出現,說明沒有新的晶閘管被觸發,可以立即發送待工作組脈沖,若在這段時間里有電流出現,切換過程停止,待電流再次降到零時重新開始計時。第二級延時約0.75 ms,兩級總延時為1.1 ms。

圖3 極性鑒別器特性Fig.3 Polarity discriminator characteristic

圖4 極性鑒別電路Fig.4 Polarity discriminator

超前校正環節的傳遞函數是

經驗參數:T1=6 ms,T2=T3=2 ms,在這些參數下,電流過零較平滑。

2 梅山主井無環流保護策略實施

我礦的交-交變頻矢量控制系統實現無環流關鍵是其觸發單元,2#主井觸發單元由安裝在柜架上的脈沖板（每個整流橋2塊）、兩塊總線接口板和總線、終端板組成,它通過一根40芯的扁電纜與PHSC通道相連接,因而也可把它看成并行快速“觸發總線”。脈沖放大器和電壓測量板通過20芯的扁電纜與脈沖單元相連。脈沖單元有獨立的電源,因此,電壓測量板和脈沖放大器與PHSC沒有電的聯系。觸發單元控制一臺雙繞組（定子）系統的6相電機（包括勵磁）（采用6組三相變流器組的變頻器）,使用14#脈沖板,一總線接口和總線終端板,共計有16塊子板。觸發單元的主要功能有:1）可控硅觸發脈沖與整流主電壓（電源電壓）的同步；2）電源和相序的監控；3）脈沖的寬度及觸發時刻；4）在電機零電流時,控制可控硅元件換相,并監控換相情況；5）通過測量可控硅的截止電壓確定是否零電流,零電流信號用于電流的換相邏輯。

圖5 電流斷續時的移相特性及搖擺控制過程Fig.5 Moving quality and shaky control course on current No continuum

因此,該系統的觸發單元僅產生與主電源同步的觸發脈沖,而脈沖的移相由PHSC控制器進行計算。觸發單元內各點的參數及故障信號均通過同一總線送到PHSC,通過“相位同步環”得到與主電源同步的同步信號,因此確保觸發角是十分精確的,和主電路的振蕩、噪聲、干擾、脈動無關。在一個“觸發周期”內,由觸發脈沖來控制需要工作的可控硅導通。這種方法就能保證即使主回路電流很小甚至斷續時,系統都能正常工作。

在出現故障時,通常封鎖脈沖來切斷主回路。如果在脈沖單元內出現故障,則脈沖立即被封鎖,其故障信號被傳送到PHSC控制器。為了使系統能獲得電流快速換向的性能,必須檢測每一只可控硅兩端的阻斷電壓,并把阻斷信號通過光耦傳送到觸發單元。對于電流換向邏輯而言,這是唯一可靠、快速檢測零電流的方法。因此,保證可控硅在最短的時間內,快速、可靠地進行換流所需的精確的延時時間,由可控硅的“恢復時間”所決定。一般情況下,電機定子內的正弦電流過零點的時間約為1 ms,所以實際應用中對延時時間的設定必須高度重視,經過反復實踐表明我礦的參數設1.15 ms取得比較理想的效果。

3 結論

文中重點對梅山2#主井交-交變頻裝置的無環流保護措施進行了研究,同時結合梅山公司2#主井提升機對交-交變頻控制系統進行了分析和研究,并結合實際情況提出了利用無環流換向邏輯添加電流補償的方案。梅山礦業公司主井所采用的保護措施經過運行的經驗表明,在系統投入運行初期對諧波及系統的參數進行相應的測試與調整,并確定最優的參數及合適的保護措施。現其諧波指標符合電網的要求,并確保系統的穩定、經濟運行。

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The research on control system of AC-AC converter control system without circulation protection

LIU Guo-bang
（Baosteel Meishan Iron Mining Company,Nanjing 210041，China）

The No.2 main shaft hoisting machine of Meishan Iron Mining Company adopts vector control system.In order to ensure that there is no loaded useless current in AC-AC converter circuit，perfect protection measures is taken in the transmission control system.Based on circuit current commutation logic，this system adopts boolean parameter analysis and discontinuous current compensation to make the system work normally even when the primary loop current is small even intermittent.The？non-circulation protection strategy is applied successfully in vector control system of No.2 main shaft in Meishan Iron Mining Company.

lifting system；AC-AC converter；measuring device for detecting current crossing zero；commutating logic circuit without circumfluence

TN-9

：A

：1674-6236（2015）18-0160-03

2014-12-05稿件編號：201412043

劉國榜（1967—）,男,江蘇南京人,碩士,首席工程師。研究方向:電控系統、電力機電。