AFE原理及在吊斗铲的应用

王栋

(神华准能设备维修中心吊斗铲车间,内蒙古鄂尔多斯 010300)

AFE原理及在吊斗铲的应用

王栋

(神华准能设备维修中心吊斗铲车间,内蒙古鄂尔多斯 010300)

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。设备的总重量大约为500吨,大臂长度为109.7米,工作半径大约110米,挖掘深度和卸料高度分别是71米和45米。如此庞大的设备也拥有先进的电气技术,其中变频单元的AFE系统是由西门子公司提供的。目前来说,它是世界领先的技术,针对吊斗铲的AFE系统及控制单元进行分析。

吊斗铲 AFE PWM整流器 SIBAS

AFE是PWM整流器,PWM整流器是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器。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 AFE的特点

①有源可控的IGBT。②AFE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,负载可以在四象限运行,实现能量回馈,提高能源效率。④直流母线电压与电网电压无关,使系统得到最佳利用,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。⑥AFE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。

2 AFE系统的组成

AFE系统由AFE电抗器、AFE预充电回路和AFE(整流/回馈)单元组成。

2.1 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：①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。②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。③可以使AFE具有Boost特性。④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。⑤回馈电压通过电抗器融入电网。

2.2 AFE预充电回路

(1)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,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。

(2)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。整流桥输入侧的电压是500VAC,所以单个整流桥输出的直流电压接近1．35×500=675VDC,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。

图1

2.3 AFE预充电回路顺序

①送电。由PLC程序控制预充电接触器工作。②充电。预充电接触器闭合后,通过预充电回路向直流母线充电。③得电。直流母线得电,直流母线预充电电电压设定值是1280VDC。④切电。当直流母线电压达到1280VDC时,PLC程序控制预充电接触器断电,预充电过程结束。

3 AFE单元

3.1 吊斗铲AFE单元结构

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。

3.2 AFE的工作原理

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1)：

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1800VDC。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,各机构电动机制动时所需的能量通过公用直流母线在逆变器间自动分配,多余能量通过整流回馈返回电网。电网电压瞬时跌落在升压运行中将被桥接而不会改变直流母线电压值。

4 AFE的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。

5 AFE的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。

6 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,SI—Siemens,B—Train,A—Automation,S—System。

(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。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。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。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。

(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40mA的电流信号控制IGBT的通断。

(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 Measuring Amplifier。UWS用于保护,SIP用于控制,Out Measuring Amplifier用于外部测试。

(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。

[1]变频调速控制系统的设计与维护.山东科学技术出版社,2005年3月.

[2]SPWM变频调速应用技术.机械工业出版社,1997年12月.

[3]Siemens Active Front Operation,Siemens Industry Inc.2010年.