交-交变频器控制系统的无环流保护研究

刘国榜

(宝钢梅山钢铁矿业分公司 江苏 南京 210041)

交-交变频器控制系统的无环流保护研究

刘国榜

(宝钢梅山钢铁矿业分公司 江苏 南京 210041)

梅山铁矿2号主井提升机采用交-交变频矢量控制系统,为更好控制交-交变频器回路中不流经负载的无用电流,注重交-交变频系统的无环流保护方案,根据环电流的换向逻辑,通过逻辑参数分析和电流断续补偿,使主回路电流很小甚至断续时,系统都能正常工作。该无环流保护策略在梅山矿业公司2号主井矢量控制系统得到成功运用。

提升系统；交-交变频器；零电流检测；无环流换向逻辑

随着工业生产技术的逐步提高,变频器使用范围的逐步加大,处理好变频器系统的谐波干扰成了变频器进一步推广关键,特别是在对谐波要求高的场所。交-交变频,特别是无环流交-交变频系统已运用于大容量的电动机调速系统。其中零电流检测,进行无环流保护是个关键［1］。

1 零电流检测方案、无环流换向逻辑理论及参数分析

1.1 零电流检测

零电流检测环节用于向无环流换向逻辑提供零电流信号。在直流传动系统中,零电流信号大多通过电流实际值信号与一个基准值相比较而获得［2］。这种方法简单,灵敏度低,无环流“死时”达5 ms,不能满足交-交变频器的要求。

新的零电流检测环节基于测量变频器中每个臂的晶闸管压降,晶闸管导通时管压降为零,关断时管压降不为零,如果一个桥中6个臂的管压降均不为零,则表示“零”电流状态,只要有一个臂的管压降等于零,就是“有电流”状态。

由于晶闸管对地电压高,所以用光耦合器测量管压降。其线路见图1,在晶闸管阻断期间,电流流过发光二极管使其发光,光敏晶体管导通,输出高电平。在晶闸管导通期间,输出低电平。

图1 晶闸管管压降检测原理电路Fig.1 Detecting thyristo voltage drop principle circuit

在晶闸管阻断期间,由于其管压降是交流电压,存在自然过零点,上述检测方法会在此处误发“有电路”信号。为克服该缺点,特引入触发脉冲信号,在无触发脉冲的区间出现“有电流”信号不是真的“有电流”［3］。

1.2 无环流换向逻辑

无环流换向逻辑用于控制正反向两组触发脉冲的释放和封锁,实现无环流切换。无环流换向逻辑应满足下述要求:

1）在电流给定、极性反向后,准备切换。

2）在零电流信号出现后,经第一级延时封锁原工作脉冲。

3）两组脉冲都封锁后,经第二级延时发送待工作脉冲,换向操作结束。

和直流传动不同,交-交变频器要求无环流“死时”小于2ms。

无环流“死时”由两级延时造成,我们先讨论在可逆直流传动系统中常用的无环流逻辑的延时时间,然后看如何使它们缩短。

第一级延时用于可靠的检测零电流,在直流传动系统中,零电流信号通过比较电流实际值信号和某基准值而获得,见图2。基准值不能取得太小,否则会引起误动作,因此在零电流信号出现时电流没断续,如果封锁工作组脉冲,晶闸管无法阻断。为避免发生这种情况而引入第一级延时,只有零电流信号持续时间大于整定时间时才封锁工作组脉冲,例如图中第三个零电流脉冲情况,这时主回路电流一定断续。第一级延时一般整定为1～1.5 ms［4-5］。

经第一级延时,无环流换向逻辑发出封锁指令,但有可能在指令发出瞬间下一个晶闸管已被触发,虽然脉冲已被封锁,但晶闸管仍导通,要持续到b点才阻断。如果在a点发送待工作组脉冲,会造成电源短路,换向失败,为此需要第二级延时,待工作组脉冲在第二级延时结束后才发送。第二级延时时间大于3.3 ms,因为在电流断续时,每个电流波持续时间小于3.3 ms,延时3.3 ms后原导通的晶闸管肯定已阻断,由于没有触发脉冲,也不会有新的晶闸管再导通,这时发送待工作组脉冲不会产生环流。

图2 主电路电流及零电流信号Fig.2 Main circuit current and zero current signal

上述两级延时加起来,总“死时”约5ms,这对交-交变频器来说太长了。要减小“死时”,必须采用前面介绍的光电零电流检测。光电零电流检测从原理上说不存在零电流信号出现而主回路电流不是零的情况,两级延时都取消。实际上,为防止干扰,第一级延时被保留,但减小到0.3 ms,如果零电流信号持续时间超过0.3 ms,则说明它不是干扰信号,而是实际“零电流”,封锁工作组脉冲,第二级延时也保留,但作用不同,它主要用来防止在逻辑动作时间里新的晶闸管被触发。在原工作组封锁后第一阶段时间,若在这段时间里没电流出现,说明没有新的晶闸管被触发,可以立即发送待工作组脉冲,若在这段时间里有电流出现,切换过程停止,待电流再次降到零时重新开始计时。第二级延时约0.75 ms,两级总延时为1.1 ms。

图3 极性鉴别器特性Fig.3 Polarity discriminator characteristic

图4 极性鉴别电路Fig.4 Polarity discriminator

超前校正环节的传递函数是

经验参数:T1=6 ms,T2=T3=2 ms,在这些参数下,电流过零较平滑。

2 梅山主井无环流保护策略实施

我矿的交-交变频矢量控制系统实现无环流关键是其触发单元,2#主井触发单元由安装在柜架上的脉冲板（每个整流桥2块）、两块总线接口板和总线、终端板组成,它通过一根40芯的扁电缆与PHSC通道相连接,因而也可把它看成并行快速“触发总线”。脉冲放大器和电压测量板通过20芯的扁电缆与脉冲单元相连。脉冲单元有独立的电源,因此,电压测量板和脉冲放大器与PHSC没有电的联系。触发单元控制一台双绕组（定子）系统的6相电机（包括励磁）（采用6组三相变流器组的变频器）,使用14#脉冲板,一总线接口和总线终端板,共计有16块子板。触发单元的主要功能有:1）可控硅触发脉冲与整流主电压（电源电压）的同步；2）电源和相序的监控；3）脉冲的宽度及触发时刻；4）在电机零电流时,控制可控硅元件换相,并监控换相情况；5）通过测量可控硅的截止电压确定是否零电流,零电流信号用于电流的换相逻辑。

图5 电流断续时的移相特性及摇摆控制过程Fig.5 Moving quality and shaky control course on current No continuum

因此,该系统的触发单元仅产生与主电源同步的触发脉冲,而脉冲的移相由PHSC控制器进行计算。触发单元内各点的参数及故障信号均通过同一总线送到PHSC,通过“相位同步环”得到与主电源同步的同步信号,因此确保触发角是十分精确的,和主电路的振荡、噪声、干扰、脉动无关。在一个“触发周期”内,由触发脉冲来控制需要工作的可控硅导通。这种方法就能保证即使主回路电流很小甚至断续时,系统都能正常工作。

在出现故障时,通常封锁脉冲来切断主回路。如果在脉冲单元内出现故障,则脉冲立即被封锁,其故障信号被传送到PHSC控制器。为了使系统能获得电流快速换向的性能,必须检测每一只可控硅两端的阻断电压,并把阻断信号通过光耦传送到触发单元。对于电流换向逻辑而言,这是唯一可靠、快速检测零电流的方法。因此,保证可控硅在最短的时间内,快速、可靠地进行换流所需的精确的延时时间,由可控硅的“恢复时间”所决定。一般情况下,电机定子内的正弦电流过零点的时间约为1 ms,所以实际应用中对延时时间的设定必须高度重视,经过反复实践表明我矿的参数设1.15 ms取得比较理想的效果。

3 结论

文中重点对梅山2#主井交-交变频装置的无环流保护措施进行了研究,同时结合梅山公司2#主井提升机对交-交变频控制系统进行了分析和研究,并结合实际情况提出了利用无环流换向逻辑添加电流补偿的方案。梅山矿业公司主井所采用的保护措施经过运行的经验表明,在系统投入运行初期对谐波及系统的参数进行相应的测试与调整,并确定最优的参数及合适的保护措施。现其谐波指标符合电网的要求,并确保系统的稳定、经济运行。

［1］杨万华.使用变频器应注意的问题 ［J］.机电一体化,2006（2）:79-80.YANG Wan-hua.The problem in the using of frequency converter［J］.Mechatronics，2006（2）:79-80.

［2］朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1992.

［3］Carrara G.A new multilevel PWM method:a theoretical analysis［J］.IEEE Trans，1999，7（1）:87-96.

［4］常东来，苏彦民.全数字化三相交一交变频器控制方法的研究［J］.电力电子技术，1999（1）:32-34.CHANG Dong-lai，SU Yan-ming.Fully digital three intersecting one hand in the research of control methods of the frequency converter ［J］.Power Electronic Technology，1999（1）:32-34.

［5］寿海明，林桦，苏伟.基于CPLD的十二相交-交变频器的全数字设计［J］.电气传动自动化，2006，28（1）:39-42.SHOU Hai-ming，LIN Ye，SU Wei.Twelve intersect-alternating frequency converter based on CPLD digital design［J］.Electric Drive Automation，2006，28（1）:39-42.

［6］电力电子设备设计和应用手册［M］.北京:机械工业出版社，1990.

［7］Bayer K H.Field-oriented close-loop control of a synchronous machine with the new transvektor control system［J］.Siemens Review，1972，4（39）:56-70.

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稿件编号：201412043

刘国榜（1967—）,男,江苏南京人,硕士,首席工程师。研究方向:电控系统、电力机电。