采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧永紅，　曹浩堃，　張全柱

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所， 河北 三河　065201)

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采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧永紅，曹浩堃，張全柱

(華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所， 河北 三河065201)

摘要：針對(duì)采煤機(jī)四象限變流器指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了一種新型的采煤機(jī)四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的快速制動(dòng)，可為采煤機(jī)提供持續(xù)的制動(dòng)力，提高了采煤機(jī)牽引運(yùn)行的控制性能和可靠性，具有較好的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī)； 四象限變流器； 同步PI解耦電流控制； 牽引變頻器

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1457.006.html

0引言

采煤機(jī)是煤礦企業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是煤礦生產(chǎn)的重要保障，采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上往復(fù)行走進(jìn)行采煤工作，主要依靠牽引變頻器作為驅(qū)動(dòng)力，一般采用1臺(tái)或2臺(tái)通用型(整流單元為不控整流橋二極管)牽引變頻器[1]來(lái)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于這類依靠牽引變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)的采煤機(jī)具有如下的缺點(diǎn)：① 2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不同步、負(fù)荷不平衡。② 對(duì)于有較大傾角的采煤工作面，向下運(yùn)行時(shí)需要足夠大的制動(dòng)力，同時(shí)采煤機(jī)工作過(guò)程中經(jīng)常性出現(xiàn)急停產(chǎn)生的制動(dòng)能量，往往需要采用外加制動(dòng)單元的方案來(lái)解決，造成能耗大，故障率高，防爆性差，且占用采煤機(jī)電控箱內(nèi)有限的空間[2]。③ 采煤機(jī)供電電壓往往波動(dòng)較大，嚴(yán)重時(shí)高達(dá)-30%～35%，造成二極管整流橋的牽引變頻器中間直流電壓波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的正常運(yùn)行。④ 采煤機(jī)牽引變頻器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波會(huì)危害整個(gè)采煤機(jī)的安全運(yùn)行，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低[3-4]。⑤ 采煤機(jī)電控箱內(nèi)密閉的環(huán)境要求牽引變頻器具有很好的散熱性；采煤機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，要求牽引變頻器有很好的抗振能力[5]。要解決上述問(wèn)題，就要將采煤機(jī)牽引變頻器改換成四象限變流器，研究其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)適當(dāng)?shù)拿}沖控制方法實(shí)現(xiàn)其能量的雙向流動(dòng)，使制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)，改善輸入電流波形，提高功率因數(shù)，消除諧波污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，穩(wěn)定中間直流電壓，提高采煤機(jī)牽引的控制性能、安全性，降低故障率。為此，根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)和應(yīng)用要求，兼顧技術(shù)先進(jìn)性和工程實(shí)用性，筆者設(shè)計(jì)了全數(shù)字化智能控制的高性能采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)組成

采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由濾波單元、輸入電抗器、IGBT功率單元、濾波支撐電容、DSP控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、各種信號(hào)檢測(cè)電路及人機(jī)接口組成，如圖1所示，三相交流輸入電源通過(guò)四象限變流器在整流工況運(yùn)行時(shí)，輸出穩(wěn)定的直流電壓，并提供給逆變器，帶動(dòng)采煤機(jī)向左或者向右運(yùn)行；當(dāng)采煤機(jī)瞬間停車或者下坡運(yùn)行時(shí)，四象限變流器通過(guò)逆變工況運(yùn)行將制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)。

圖1　四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

1.2DSP控制系統(tǒng)

DSP控制系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)核心芯片采用TMS320F28035定點(diǎn)DSP，利用TMS320F28035豐富的外圍接口、12位高精度片內(nèi)AD，完成四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)各種檢測(cè)信號(hào)采樣、PWM脈沖及保護(hù)狀態(tài)信號(hào)輸入。DSP控制系統(tǒng)是整個(gè)四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，其主要由DSP數(shù)字系統(tǒng)、模擬量輸入電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)接口電路及電網(wǎng)電壓相位/頻率/相序檢測(cè)[6]、缺相保護(hù)電路等部分組成。DSP數(shù)字系統(tǒng)由TMS320F28035、外部端子數(shù)字量輸入信號(hào)等組成，它能完成各種數(shù)字計(jì)算,外部端子控制,四象限變流器的啟停控制、運(yùn)行等功能。模擬量輸入電路主要由網(wǎng)側(cè)電壓、電流和直流電壓檢測(cè)與調(diào)理電路，IGBT溫度檢測(cè)與調(diào)理電路等組成。電壓、電流檢測(cè)電路主要是將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，供DSP進(jìn)行數(shù)字采樣。IGBT驅(qū)動(dòng)電路將DSP系統(tǒng)發(fā)出的SVPWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖信號(hào)，同時(shí)當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過(guò)流故障時(shí)，向DSP控制系統(tǒng)反饋故障信號(hào)。人機(jī)接口電路主要由CAN通信電路、上位PC機(jī)顯示電路及操作鍵盤組成，可以通過(guò)鍵盤設(shè)定各種給定指令和參數(shù)，如實(shí)現(xiàn)四象限變流器的啟動(dòng)與停止，給定中間直流電壓值等；可以顯示四象限變流器的各種狀態(tài)，并記錄四象限變流器的歷史運(yùn)行故障。

圖2　DSP控制系統(tǒng)

1.3硬件電路

1.3.1網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電流的檢測(cè)對(duì)四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)十分重要，其值將作為同步PI解耦電流控制時(shí)的指令電流，檢測(cè)的可靠性與精度是首要考慮的指標(biāo)。按典型功率45 kW考慮，在三相平衡系統(tǒng)中，線電壓為380 V，每相最大電流不超過(guò)100 A，考慮到一些裕量，選用TBC100EH3型三相交流電流傳感器來(lái)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電流。TBC100EH3型三相交流電流傳感器初次級(jí)絕緣分辨率為1 000∶1，測(cè)量范圍為300 A，可用于測(cè)量直流、交流和脈沖電流，其額定輸出電流有效值為20 mA，電源電壓為±15 V。

網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)電路如圖3所示，電源的三相線分別從傳感器的3個(gè)測(cè)量孔中穿過(guò)，傳感器的M1、M2、M3分別為三相的測(cè)量電流輸出。由于是三相平衡系統(tǒng)，三相電流調(diào)理電路一致，圖中給出了其中一相電流調(diào)理電路。各相電流檢測(cè)值輸出經(jīng)過(guò)磁珠(抑制高頻干擾與尖峰)后流過(guò)采樣電阻，使電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后經(jīng)過(guò)TL082運(yùn)放調(diào)理，使輸出電壓在0～3.3 V，最后經(jīng)過(guò)DAN217箝位保護(hù)后輸入DSP的AD口。

圖3　網(wǎng)側(cè)電流檢測(cè)電路

1.3.2網(wǎng)側(cè)電壓和直流電壓檢測(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電壓值也作為同步PI解耦電流控制的指令，實(shí)現(xiàn)解耦算法。檢測(cè)的網(wǎng)側(cè)電壓，其線電壓額定值為380 V，故選擇電壓傳感器的型號(hào)為TBV10/25 A，該型號(hào)傳感器初級(jí)與次級(jí)絕緣，可用于測(cè)量直流、交流和脈沖電壓，額定輸入電流為10 mA，輸出電流為25 mA，電源電壓為±15 V。網(wǎng)側(cè)電壓三相檢測(cè)電路是一致的。網(wǎng)側(cè)電壓兩線電壓的檢測(cè)電路如圖4所示。兩線電壓經(jīng)過(guò)傳感器輸入側(cè)限流電阻R5接入，經(jīng)過(guò)采樣電阻R8后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，然后經(jīng)電容濾波后由TL082運(yùn)放調(diào)理運(yùn)算后輸入DSP的AD口。

直流電壓的值作為同步PI解耦電流控制的外環(huán)控制反饋指令，使四象限變流器輸出穩(wěn)定的直流電壓，直流電壓檢測(cè)電路與網(wǎng)側(cè)電壓檢測(cè)電路相同，只是輸入限流電阻R5和采樣電阻R8的值不同。

1.3.3電網(wǎng)電壓相位、相序、頻率檢測(cè)電路

電網(wǎng)電壓頻率、相位、相序的值作為同步PI解耦電流控制中SVPWM算法運(yùn)算的參數(shù)，使四象限變流器回饋電網(wǎng)時(shí)能準(zhǔn)確并網(wǎng)，檢測(cè)電路如圖5(a)所示。輸入交流三相電壓經(jīng)過(guò)隔離變壓器變換為5 V，其頻率、相位與電網(wǎng)一致，然后經(jīng)電容濾除高頻諧波，輸入到由TL082運(yùn)放構(gòu)成的過(guò)零比較器，左側(cè)2個(gè)反并聯(lián)二極管為輸入級(jí)保護(hù)，經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器后，變?yōu)橥l率同相位的方波(圖5(b))。方波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，送入74LS14(六路施密特觸發(fā)反相器)，進(jìn)行2次反相的信號(hào)為SX1、SX2、SX3，對(duì)SX1、SX2、SX3進(jìn)行整形，最后經(jīng)過(guò)箝位保護(hù)后送入DSP的捕獲口。

圖4　網(wǎng)側(cè)電壓和直流電壓檢測(cè)電路

(a) 網(wǎng)側(cè)電壓相位、相序、頻率檢測(cè)電路

(b) 方波波形

由于DSP自帶高精度捕獲口，且具有相位計(jì)數(shù)模式，依據(jù)輸入的3路方波信號(hào)，可很方便計(jì)算出電網(wǎng)電壓的頻率、相位，用于判斷正、逆相序及進(jìn)行缺相檢測(cè)。

1.3.4IGBT溫度檢測(cè)電路

四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝在采煤機(jī)密閉的電控箱里面，本身是自然冷卻，依靠安裝在采煤機(jī)水冷系統(tǒng)外壁上來(lái)加強(qiáng)散熱效果，但工作時(shí)溫度會(huì)急劇升高，即使由采煤機(jī)外殼加強(qiáng)散熱，長(zhǎng)期使用，冷卻效果仍不理想，會(huì)使系統(tǒng)溫度過(guò)高，從而損壞驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，所以，須對(duì)IGBT溫度進(jìn)行檢測(cè)。IGBT溫度檢測(cè)采用PT100溫度傳感器來(lái)完成，檢測(cè)電路如圖6所示，PT100與系統(tǒng)散熱器表面充分接觸，當(dāng)四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)溫度發(fā)生變化時(shí)，PT100的阻值也隨之變化，利用檢測(cè)電路可以測(cè)得阻值的變化，從而測(cè)得驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的溫度。圖6中TL431構(gòu)成穩(wěn)壓電路，提供精準(zhǔn)+5 V電壓，運(yùn)算放大器TL082和電阻組成一個(gè)200 mA的恒流源電路，利用恒流源將PT100的阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再利用AD620調(diào)理信號(hào)后，將信號(hào)送入DSP的AD口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整個(gè)溫度檢測(cè)電路將實(shí)時(shí)反饋四象限變流器IGBT的溫度情況，利用DSP可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與溫度保護(hù)。

圖6　IGBT溫度檢測(cè)電路

1.3.5IGBT驅(qū)動(dòng)電路

針對(duì)45 kW的四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路的IGBT型號(hào)為FF300R12ME4，這是第4代IGBT，該IGBT的電感低，開關(guān)損耗低，進(jìn)一步優(yōu)化了軟開關(guān)特性，其封裝兩端接線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了主回路電氣連接。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，選擇配套的驅(qū)動(dòng)板2SP0115T，直接焊接到IGBT上，只需設(shè)計(jì)外圍電路，便可使用，采用光纖直接與DSP控制系統(tǒng)連接，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

2同步PI解耦電流控制算法

圖7　IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖8　四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)同步PI解耦電流控制算法

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)程序主要由主程序、AD定時(shí)器中斷服務(wù)程序、捕獲中斷服務(wù)程序、CAN通信中斷程序、波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序等組成。系統(tǒng)主要程序流程如圖9所示。

主程序主要完成初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置、特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設(shè)置、各種中斷設(shè)置、開中斷等功能，以及完成外部端子的信號(hào)采樣，管理四象限變流器的啟停、CPU的復(fù)位信號(hào)，輸出故障信號(hào)等。

(a)主程序(b)捕獲中斷服務(wù)程序(c)波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序(d)AD定時(shí)器中斷服務(wù)程序

圖9系統(tǒng)主要程序流程

CAN通信中斷程序主要完成與操作鍵盤的通信，將四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)給鍵盤顯示，同時(shí)接收鍵盤的設(shè)置命令。捕獲中斷服務(wù)程序主要完成電網(wǎng)相位、相序和頻率的采樣計(jì)算。波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序主要完成周期寄存器和占空比的更新、占空比的計(jì)算及SVPWM波的生成輸出。AD定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要完成以下工作：① 三相交流電流與電壓、直流電壓、IGBT溫度采樣的計(jì)算。② 完成死區(qū)補(bǔ)償、波形發(fā)生器周期寄存器值的計(jì)算，相位累加值及過(guò)載、過(guò)流值的計(jì)算等。③ 完成同步PI解耦電流控制算法的計(jì)算。

4實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)主要參數(shù)：額定功率為45 kW，輸入三相交流電壓為AC380 V，調(diào)制頻率為5 kHz。四象限變流器額定功率整流工作時(shí)，網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流和整流輸出直流電壓波形如圖10(a)所示，從圖10(a)可以看出，直流電壓穩(wěn)定在DC672 V，輸入相電壓和相電流同相位，功率因數(shù)接近1，網(wǎng)側(cè)電流波形變得明顯正弦化，諧波含量大大減小。四象限變流器逆變回饋電網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)相電流、相電壓及中間直流電壓波形如圖10(b)所示，從圖10(b)可以看出，直流電壓穩(wěn)定在DC672 V，輸入相電壓和輸出相電流相位反向，功率因數(shù)接近-1，電流波形也明顯成正弦波。可見四象限變流器整流工況和逆變工況工作穩(wěn)定，諧波含量低。

(a) 整流工況時(shí)的相電壓、相電流和直流電壓波形

(b) 逆變工況時(shí)的相電壓、相電流和直流電壓波形

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)采煤機(jī)牽引四象限變流器特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全數(shù)字化智能控制的高性能采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)潔、模塊化強(qiáng)、參數(shù)設(shè)置靈活、動(dòng)態(tài)性能好、能量雙向流動(dòng)的特點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在整流工況工作時(shí)，可輸出穩(wěn)定的直流電壓，能夠適應(yīng)波動(dòng)范圍較大的輸入電源；在逆變工況工作時(shí)，制動(dòng)能量能快速回饋電網(wǎng)，無(wú)需外加制動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的快速制動(dòng)，為采煤機(jī)提供持續(xù)的制動(dòng)力，提高了采煤機(jī)牽引運(yùn)行的控制性能和可靠性，具有較好的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

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Design of drive and control system of 4-quadrant converter for traction shearer

DENG Yonghong,CAO Haokun,ZHANG Quanzhu

(Institute of Information and Control Technology, North China Institute of Science and Technology, Sanhe 065201, China)

Abstract:The paper designed a new drive and control system of 4-quadrant converter for traction shearer according to index requirements of 4-quadrant converter of shearer, and introduced design of hardware circuit and software implementation of the system. The field experiment results show that the system realizes fast braking of shearer, provides continuous braking force for shearer, and improves control performance and reliability of traction operation for shearer, which has good popularization value for engineering applications.

Key words:shearer; 4-quadrant converter; synchronous PI decoupling current control; traction frequency converter

文章編號(hào)：1671-251X(2016)07-0020-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.006

收稿日期：2016-04-01；修回日期：2016-05-25；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

基金項(xiàng)目：廊坊市科技支撐項(xiàng)目(2015011017)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(3142013101,DX2013B05，3142015023)。

作者簡(jiǎn)介：鄧永紅(1975-)，男，湖南漣源人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電能變換技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，E-mail:dyhsyjdyx@163.com。

中圖分類號(hào)：TD632

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 14:57

鄧永紅，曹浩堃，張全柱.采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：20-25.