吊斗铲变频系统和提升回拉电机工作原理的论文
摘要：吊斗铲是由比塞洛斯国际公司生产的世界一流矿山挖掘设备，它采用了无齿轮传动和迈步式行走机构，并且使用了两台功率很大的同步电机作为拖动系统，电机驱动采用了西门子的交直交变频技术。下面针对吊斗铲的变频系统的 AFE 单元、逆变单元、中间单元以及控制单元进行分析。
关键词：吊斗铲；同步电动机；变频技术；AFE;逆变
1 变频系统
吊斗铲变频系统由 AFE 系统、中间单元、逆变单元和控制单元组成。
1.1 AFE 系统
AFE 是 Active Front End 的缩写，译为主动前端。从结构上看，采用了 IGBT 功率元件，它相当于一个逆变器，不同的是输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。其主动的含义在于，与传统的二极管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。
AFE 是 PWM 整流器，其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于 1.
1.1.1 AFE 系统的优点
（1）有源可控的 IGBT.
（2）AFE 整流时，电流谐波含量小，其大小不受电网质量或负载轻重影响，故电网侧电流比较小且无电网污染。
（3）电流可以实现双向流动，并且不需要制动单元，负载可以在四象限运行，实现能量回馈，提高能源效率。
（4）而且不受电网波动的影响，直流电压保持稳定，具有卓越的动态特性。
（5）允许电网电压的波动范围宽，使 AFE 可以安全运行在 65%的电源额定电压范围内。
（6）AFE 可以将弱电网上的低电压相应提高，故允许电源电压低于电机电压。
（7）功率因数可调，可进行无功补偿，功率因数接近于 1.
1.1.2 AFE 系统的组成
AFE 单元由 AFE 电抗器、AFE 预充电回路和 AFE （整流 / 回馈）单元组成。
（1）AFE 电抗器
吊斗铲 AFE 电抗器采用的是 750μH 的电感，它的输入侧电压是 900VAC.AFE 能量回馈系统中，AFE 电抗器是至关重要的，因为它不仅影响到电流环节的动、静态响应，同时制约着 AFE 的输出功率、功率因数。AFE 电抗器在电路中起到如下作用：
a.隔离电网电势与 AFE 交流侧电压，通过对 AFE 交流侧电压（电流）的相位、幅值进行 PWM 控制，可实现 AFE 的四象限运行。
b.滤波作用。它可以滤除电网侧交流侧谐波电流，实现 AFE 交流侧正弦波电流控制。
c.可以使 AFE 具有升压特性。
d.使 AFE 系统具有一定的阻尼特性，使系统稳定工作，同时还能够向 AFE 网侧传送无功功率。
e.回馈电压通过电抗器融入电网。
（2）AFE 预充电回路
a.预充电回路的作用。
直流母线电容在接通一瞬间相当于短路，充电电流非常大，可能损害 AFE、直流母线和电容。所以为了避免强电流对 AFE、直流母线和电容的冲击，必须增加预充电过程。同时在预充电回路中必须串入限流电阻，限制直流母线电容的冲击电流。
b.吊斗铲 AFE 预充电回路的组成。
吊斗铲预充电回路是由 2 组三相桥式不可控二极管整流电路组成，这 2 组桥式不可控二极管整流电路串联，两个整流桥串联起来直流母线电压达到 1250VDC,并且在预充电回路中串入了 1Ω的限流电阻。
1.1.3 AFE 单元
a.吊斗铲 AFE 单元结构和工作原理。
吊斗铲 AFE 单元在结构上和普通 IGBT 逆变电路是没有区别，由二极管反向并联可控的 IGBT 组成的桥式电路。它们模块是独立结构，而且可以通用。
在 AFE 预充电结束后，主回路开始工作。在主回路闭合前，AFE工作处于准备阶段。当 AFE 交流侧主回路闭合后，AFE 系统通过电压同步模块检测电网的电压与相位，电网电压与相位同步完成后，AFE 开始工作。
AFE 处于同步整流状态时，AFE 整流单元从电网侧汲取 900V正弦交流电，通过对 AFE 的控制，经整流后输出 1800VDC 并保持恒定，各次谐波由滤波电路删除。AFE 整流的控制原理（如图）：
当交流电在正半轴时，初始状态所有的开关打开，电流的途径是 L1-D3-D2-L2,此时直流母线的电压是 1272VDC.通过对开关的控制，将 S1 和 S2 闭合，经过 S1 和 S2 有一个大的电流流过 L1 和L2,并将 L1 和 L2 储能。再将 S1 和 S2 断开，此时的电流途径仍保持L1-D3-D2-L2,此时直流母线的电压上升到 1800VDC.
当交流电在负正半轴时，初始状态所有的开关打开，电流的途径是 L2-D4-D1-L1,此时直流母线的电压是 1272VDC.通过对开关的控制，将 S4 和 S3 闭合，经过 S4 和 S3 有一个大的电流流过 L2 和L1,并将 L2 和 L1 储能。再将 S4 和 S3 断开，此时的电流途径仍保持L2-D4-D1-L1,此时直流母线的电压上升到 1800VCD.这样就完成了一个周期的整流。电压保持到 1800VDC.
当 AFE 工作在有源逆变状态时，系统通过检测直流母线的电压值，然后与预先设定的 1800VDC 进行比较。当检测到直流母线数值大于 1800VDC 时，再对系统交流侧的电压、电流以及相位进行检测。通过对 AFE 的控制， 把多余的能量回馈到交流侧电网。
所以，AFE 能够安全可靠地控制电网侧，实现能量的双向流动，以满足驱动系统电动及发电制动的要求。
1.2 中间系统
1.2.1 滤波电容。
（1）滤波电容的组成
每条直流母线是由 4 个 2000VDC、3m F 的电容并联组成滤波电容组，此电容是属于终身免维护。
（2）滤波电容在直流母线中起如下作用。
a.缓冲 AFE 交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定 AFE 直流侧电压，使系统可以稳定工作。
b.抑制直流侧的谐波。
c.在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而中间直流电路的电容容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容又称储能电容。
1.2.2 DC 母线斩波电路。
AFE 的 DC 母线斩波电路是斩波电阻通过斩波 IGBT 模块连接到 DC 母线上。斩波电阻是一个阻值很小的电阻，只有 2Ω。虽然阻值很小，但耐高温，最高温度可达 750℃。斩波电阻在电路中具有以下作用。
（1）正常停机的情况，斩波电阻释放母线的能量。
（2）在正常情况下，AFE 处理所有的回馈能量。在特殊的情况下，AFE 不能有效处理所有回馈能量，斩波电阻帮助 AFE 处理回馈的能量。但是斩波电阻工作时间很短。
1.2.3 DC 母线放电电路。
AFE 的 DC 母线放电电路是由 4 个阻值 10KΩ，功率 225W 的电阻组成。它们连接在 DC 母线的正极和负极之间。DC 放电电阻的`作用是设备在急停或立即停机的情况下，DC 母线斩波电路处于不工作状态，由 DC 放电电阻将直流母线电容的电压释放。
1.3 逆变单元
1.3.1 逆变单元的组成及原理
逆变单元采用了 IGBT 模块组成的桥式逆变电路。它采用了SPWM 控制方式，将母线 1800VDC 转换成频率和幅值都是可调的交流电。
SPWM,正弦脉宽调制技术，通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制来等效正弦波形。
1.3.2 逆变电路中续流二极管的功能
（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通路”.
（2）当频率下降时，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管返回直流通路。
（3）在逆变的过程中，同一桥臂的两个逆变管处于不停交替导通和截止的状态。在交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要续流二极管提供通路。
1.4 控制单元
控制单元应用的是西门子的 SIBAS 控制系统，SIBAS 的意思是，SIBAS 控制系统是在德国发展的并主要用于火车控制系统，现在应用到吊斗铲、电铲、推土机等矿山设备。SIBAS 系统由 SIBAS 硬件和 SIBAS 软件组成，SIBAS 软件使用的是 SIBAS G 程序，通过SIBAS G 程序对 AFE 单元进行控制，控制单元由脉冲触发回路、电流反馈回路和线电压反馈回路组成。
1.4.1 SIBAS 硬件及作用。
电源，为 SIBAS 机架提供合适的电源，主电源是 110VDC,转换成 24VDC、15VDC、5VDC,为 SIBAS 模块使用。
U/F 是 Voltage/Frequency Converter.它是电压和频率信号分离器。U/F 从 CT 或 PT 读取信号，然后将信号进行分离。分离后将电压信号传入 UWS 和 ZR,频率信号传入 SIP.
Binary Inputs,读取外部开关量输入信号，电压等级是 24VDC.例如正常停止信号，紧急停止信号，DPC 反馈信号等。
Binary Outputs,输出开关量信号，电压等级是 24VDC.一部分是将开关量信号传入 PLC,一部分用于外部的控制，例如继电器的控制。
Output Measuring Amplifier,是输出测量放大器，输出模拟信号到测试点。
UWS 是 Inverter Monitoring,保护模块，是硬件保护。用于 IGBT的检测反馈，过电压，过电流保护。
Fring Pulse Amplifier,触发脉冲放大器。提供 40m A 的放大电流，用于触发 IGBT 的 Gating Board,并且用于检测 IGBT 的通断。
SIP 是 Signal Processing Unit,也称 DSP,是信号处理单元，用于内部通信，高速处理 AFE 触发信号。
ZR 是 Central Processor Unit,也称 CPU,是中央处理单元，用于外部控制。
1.4.2 脉冲触发回路。
脉冲触发回路由 SIP、UWS 和 Fring Pulse Amplifier 组成。
SIP 产生脉冲触发信号，发送到 UWS 卡进行检测，UWS 卡检测的信号正常后发送到 Fring Pulse Amplifier,Fring Pulse Amplifier提供 40m A 的电流信号控制 IGBT 的通断。
1.4.3 电流反馈电路。
电流反馈回路是通过 CT（电流互感器） 反馈到 SIBAS 系统的U/F 卡。然后从 U/F 卡将信号分配到 UWS、SIP 和 Out MeasuringAmplifier.UWS 用于保护，SIP 用于控制，Out Measuring Amplifier 用于外部测试。
1.4.4 线电压反馈回路。
线电压反馈回路是通过 PT（同步电压模块）反馈到系统的 U/F,U/F 发送到 AFE SIP 进行控制。
2 提升和回拉电机
2.1 工作原理。
吊斗铲的提升和回拉同步电动机具有 9 套三相对称的定子绕组，额定电压为 9×1100V.它的转子则是由与定子绕组有相同极数的固定极性磁极组成，该固定极性磁极是由接入磁极励磁绕组中的直流电流所产生的，提升和回拉电机是一台三相 36 极的同步电动机。当该电机定子上的对称三相绕组流过对称三相电流时，就会在电动机的气隙中产生一个与转子同极数的旋转磁场，旋转磁场的磁极将根据异磁极相吸的原理吸引转子磁极以相同的同步转速旋转。
2.2 提升和回拉电机的调速。
吊斗铲提升和回拉电机的调速采用了变频调速。调速使用的是恒转速和恒功率。
恒转速是转速不变的情况下，提高电机的功率从而增大电机的转矩。恒转速在每分钟 14 转，频率为 4.2HZ 下进行的，它的功率可以从 7768KW 增加到 12429KW.
恒功率是功率不变的情况下改变电机的转速，当转速提升时，它的转矩变小。恒转矩是在电机功率 12429KW 时进行的，它的转速可从第分钟 14 转上升到每分钟 35 转，频率从 4.2HZ 到 10.5HZ.
2.3 提升和回拉电机回路。
吊斗铲提升和回拉电机回路有主回路、保护回路。
（1）吊斗铲提升和回拉电机的主回路有定子主回路和转子主回路。
定子主回路额定电压为 9×1100VAC.额定电流为 9×490A.定子的输入电源是由设备变频系统的逆变器输出。转子主回路额定电压为 320VDC,额定电流为 540A.转子的输入电源是由变频系统的斩波器输出的。
（2）吊斗铲提升和回拉电机的保护回路
吊斗铲提升和回拉电机的保护回路有电流互感器和电压互感器，它们将信号传入 SIBAS 机架内，当主回路的电压和电流超出规定范围内，控制部分立即断开电机主回路。
参考文献：
[1]吊斗铲电气图纸、吊斗铲维修手册。
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