《采煤机变频器》PPT课件.ppt

采煤机变频器技术交流,2011-12-05,交流调速系统概况 交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。 二十世纪50年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术革命将原来只用于恒速传动的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机。 进入二十世纪七十年代后，当现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重要进展的时候，才为交流电动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础。,一、 变频原理 1、 变频的作用 对交流异步电动机进行调速 交流异步电机的转速公式为: n=（1-S）n1=(1-S)60f1/P 其中: f1: 定子供电电源频率 P: 定子绕组极对数 S: 转差率 n1: 电机同步转速 从以上公式可以看出，在其它参数不变的情况下,电机的转速与供电电源的频率成正比,因此通过改变电机供电电源的频率可以改变电机的转速。 2、 变频器的定义 变频器也称之为变频调速器，是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。,3、变频调速的原理 变频调速是通过变频器向电机的定子输出一个电压，其频率可以连续地改变，从而达到调速的目的。采用变频调速的异步电动机的机械特性如下图所示：,4、变频器的分类 按变换环节分为：交-直-交变频器、交-交变频器 按直流环节的储能方式分为： 1）电流型变频器：储能元件是电感线圈 2）电压型变频器：储能元件是电容器 按控制模式分为： 1）v/f控制变频器 用电压/频率恒定控制, 其控制原理基于解决变频器变频的同时又变压,保持磁通不变的控制理论,即/=常数,称为。这是一种通过转差补偿达到转矩提升的控制方法。目前通用的变频器多采用电压/频率恒定控制,其技术成熟,价格便宜。,2）矢量控制变频器 矢量控制(victor control)的变频器,它以交流电机的双轴理论为依据,在同步旋转坐标中把定子电流矢量分解为2个分量, 一个分量与转子磁链矢量重合,称为励磁电流分量;另一个与转子磁链矢量垂直, 称为转矩电流分量,通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小,即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小,仿照直流电动机那样对磁场和转矩进行控制。 3）直接转矩控制变频器 它避开了矢量控制中的2次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量,而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通, 通过转矩控制,使转矩响应时间控制在一拍以内,无超调,控制性能比矢量控制还好。,5、变频技术概念、定义、名称, AC-DC，把交流电变为直流电，称为整流。 DC-AC，把直流电变为交流电，这是整流的逆过程，称为逆变。 AC1-AC2，把一种形式的交流电变为另一种形式的交流电。若变换前后频率不变，称为交流调压，若变换前后频率变化，称为变频。 DC1-DC2,对直流电压的大小进行变换，称为斩波。,6、交-直-交变频器的结构,交-直-交变频器结构框图,各组成部分功能 变频器的基本结构由整流电路、中间直流环节、逆变电路和控制电路组成。 整流电路：利用电子器件的单向导电开关特性，构成输出单一方向电流的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。 整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。对于三相变频器一般采用三相桥式结构。 不可控整流电路由功率二极管组成，整流输出的直流电压与电源电压成正比，不能随意调节。不可控整流电路简单，另一优点是输入电流和电源电压基本可保持同相位。 可控整流电路由晶闸管或IGBT组成，可以由外部的触发信号控制其导通时间，从而改变输出电压。,中间直流环节：滤波、储能。 滤波元件决定电源形式 无论是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加处理都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器使用。对整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波元件可以是电容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联电容进行滤波使逆变器的输入相当于接一个电压源，这种变频器因此叫做电压源型变频器。如果在整流电路的输出端串联电感滤波，逆变器输入端相当于接电流源，变频器也因之叫做电流源型。 电压源型滤波器电容的容量都很大，一般为多个电解电容串并联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的瞬间充电电流，为限制这个电流，可采用多种措施，如图所示：,逆变器：有规律的控制逆变器中主开关器件的通和断，把直流电能调整成任意频率的三相交流电输出。 控制电路：控制电路是给异步电动机供电的主电路提 供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。,7、国内外交流变频电牵引采煤机的发展情况 采煤机由最初的液压牵引发展到交流电牵引，而后随着电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，目前采用逆变的变频器可将鼠笼型电机的启动转矩提升到额定转矩的2倍。这种全数字式的通用变频器具有很强的控制能力,即使不用测速反馈, 也能使鼠笼型电机具有较硬的机械特性和快速正反转能力。80年代末,煤矿井下也开始在采、掘、运等主要设备调速上采用变频器。如采煤机的牵引电机、提升机、绞车、井下用通风机、水泵及带式输送机电机的调速等。牵引拖动有“一拖一”和“一拖二”两种方式。,我集团公司目前使用的电牵引采煤机主要是由鸡西煤机厂和西安煤机厂生产，这两家采煤机牵引电机的变频控制均采用ABB变频器ACS800系列，并在该型号变频器原有的基础上进行了二次改造， 由风冷改为水冷形式。变频器为水冷结构,其整流模块与逆变模块均安装在专用的散热铝板上, 铝板与腔体底面水冷壁紧密接触(中间由导热脂传递热量)。正常使用时,变频器产生的热量由水冷壁带走。使变频器的散热问题得到了良好的解决。 ACS800变频器使用了最先进的控制算法直接转矩控制（DTC），能够精确的控制功率器件的每一次开关，相对于矢量和标量控制，可以减少冗余的开关次数，能效更高，满足高精度的控制要求。直接转矩控制算法是ABB变频器的核心。,ACS800壁挂式风冷结构,经采煤机厂家改装后的卧式水冷结构,8、ACS800变频器主电路,压敏电阻板 RVAR:在工业环境中，输入保护板可以用于替换 RRFC 板。,压敏电阻,接地点,压敏板,压敏电阻,电流互感器,MOS管,续流二极管,IGBT触发,充电接触器,充电电阻,电解电容,均压电阻,充电接触器,压敏电阻,电解电容,均压电阻,电流互感器,IGBT,各部件作用 1）进线电容电抗器组。 主要作用是提高输入侧的功率因数，滤掉电网及回馈时的谐波，要注意安装时电容要接在牵引变压器与电抗器之间。 2）进线压敏电阻 进线压敏电阻，可以抑制瞬态过电压，起到保护变频器的作用。 3）电流互感器 大部份变频器都是用的霍尔电流互感器，用来检测电流，从而计算过流，缺相，接地等故障。 4）IGBT IGBT是绝缘栅双极型晶体管的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点。 5）吸收电容 主要吸收高次谐波。,各部件作用 6）充电电阻 它的作用是在上电的时候限制整流回路的充电电流及对滤波电容的冲击，当电容充电完成后接触器动作，电阻被旁路。 7）电解电容 为滤波电容，变频器功率越大，电容的容量就越大，滤波电容的耐压一般是450V，因为380V级的变频器整流滤波后的电压是600V，所以两并两串后耐压就可以达到900V。 8）均压电阻 一是作放电电阻，关机后将电容上的电尽放放掉，另一个是均压，保持滤波电容上的电压相等。,9、ABB控制电路 主板：电机控制和I/O板（RMIO）,+24VDC 电源,2 路用于现场总线的并联端口 现场总线 I/O 扩展 脉冲编码器 新的可选件系列,PPCC-link = 串口通讯 与RINT通讯,控制盘连接器,模拟 I/O 2 路电流输入 1 双极性电压输入 2 路电流输出 AI 电气隔离,数字输入 6 路可编程 1 固定为停车 (启动互锁) 两组隔离,+24VDC,3 可编程继电器输出,DDCS 适配器连接器,DDCS 适配器带4路通道 PC 连接 主从通讯,驱动板：集成的功率接口板,*集成开关电源 *集成整流及逆变门极 驱动 *电流电压AD转换 *风机控制 *接地检测,操作键盘,CDP312R显示屏第一行显示状态,10、电动机的四象限运行 众所周知，异步电动机有电动和制动两种工作状态，我们把电动机的转速和输出转矩用坐标的形式表示，X轴表示转矩，Y轴表示转速，当电动机转速和转矩方向相同时，电动机处于电动状态；当电动机转速和转矩方向相反时，电磁转矩为负，起到制动作用；电磁功率也为负，电动机处于发电状态。如下图所示，第象限为电动机正转方向的电动状态，第象限为电动机正转方向的发电状态，第象限为电动机反转方向的电动状态，第象限为电动机反转方向的发电状态。这就是所谓电动机的四象限运行。,生产机械在运行过程中需要快速的减速或停车，更有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸距，这就会产生发电制动的问题，使电动机运行在第二或第四象限。然而在实际应用中，由于通用变频器大多采用电压源的控制方式，其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控制流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运动就比较困难。,在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速V1小于转子转速V时，转子电流的相位几乎改变了180，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使电流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。 因此，对于负载处于发电制动状态中，必须采取措施处理这部分再电能。下面阐述的就是处理再生能量的方法，即能耗制动和回馈制动。,11、变频器的能耗制动 能耗制动采用的工作方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的方法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上。转化为热能，因此又被称“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻两部分。, 制动单元 制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限制时（如660V或710V），接通耗能电路，使电流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置和外置两种，前者适用于小功率的通用变频器，后者适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，两者并没区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。 制动电阻 制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种。前者采用表面立体波纹，有利于散热减小寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，可有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；后者耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，可广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装，易附加散热器，外型美观。 制动过程 能耗制动的过程如下：当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高。当电流电压达到制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻。制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低。母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流通过。采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。,11、变频器的回馈制动 采煤机变频器常用的回馈制动是指回馈电网制动，是将直流母线上的再生电能回馈到交流电网，而要实现直流回路与电源间的双向能量传递，一种最有效的方法就是采用有源逆变技术，即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。 常见的做法是将整流桥的不可控器件二极管换为可控的IGBT。变频器正常工作时，整流器起到整流的作用；当需要回馈制动时，整流器由触发信号控制进行回馈逆变，将电能反送至电网，起到了逆变的作用。,12、变频器的主从控制（一拖一模式） ACS800变频器的主/从功能是为多传动应用而设计的，其中系统由若干个ACS 800 变频器驱动，同时电机轴通过齿轮、链条或传送带等相互耦合在一起。由于这种主/从功能，负载可以均匀地分配在传动单元之间。 外部控制信号只与主机连接。主机通过一个光纤串行通讯链路来控制从机。主机是典型的速度控制，其它传动单元跟随主机的转矩或速度给定。一般情况下：当主机和从机的电机轴通过齿轮、链条等进行刚性连接时，从机应该采用转矩控制模式，以使传动单元之间不存在速度差异。,13、变频器的保护功能 变频器的接地保护功能 变频器的接地故障保护，是变频器在运行过程中，始终监视电机和电机电缆的漏电和接地，接地故障的检测是基于在变频器的输入端装有零序电流互感器，对接地保护泄漏电流的的测量，通过DSP数字信号处理器计算处理，判断是否有接地故障发生，如果有接地故障，变频器将立即停止输出。 变频器的过压保护功能 变频器检测自身的直流母线，来判断供电电压是否过电压。过压极限整定值为1.3Umax，Umax是牵引变压器输出的最大值。牵引变压器的输出电压为380V，则Umax=415V,这样过压极限值整定为1.3X415=540V，当牵引变压器的输出高于540V时，变频器通过直流母线判断为过压，给出故障信号。系统的中文显示窗给出故障原因和解决方法。, 变频器的欠压保护功能 变频器检测自身的直流母线，来判断供电电压是否欠电压。欠压极限整定值为0.65Umix，Umix是牵引变压器输出的最小值。牵引变压器的输出最小电压为380V，则Umix=380V,这样欠压极限值整定为0.65X380=247V，当牵引变压器的输出低于247V时，变频器通过直流母线判断为欠压，系统的中文显示窗给出故障原因和解决方法。 变频器的供电电源缺相保护功能 变频器通过内部的输入缺相保护电路，通过检测中间电路的脉动增加来判断是否供电电源缺相，一旦有缺相发生，则变频器停止输出，同时系统中文显示窗显示故障信息和解决方法。等故障处理完成后，可按下复位按钮3秒钟后，进行故障复位，才能进行正常牵引。 变频器输出短路保护功能 变频器在运行和启动前，始终监视IGBT模块和电机电缆，一旦有短路发生，变频器以微秒级的速度封锁脉冲信号，使IGBT逆变桥禁止输出。此时系统的中文显示窗显示故障信息和解决方法。, 变频器对电机的缺相保护功能 变频器监视电机电缆的连接状态，如果检测到某一相没有连接，变频器将停止输出，同时中文显示窗显示故障信息和解决方法。 变频器对牵引电机的堵转保护 变频器在牵引电机堵转时保护电机，当牵引电机堵转时，在超过电机堵转的时间内，变频器停止输出，采煤机停止牵引，中文显示窗显示故障信息和解决方法。 变频器对牵引电机的过流保护 变频器在牵引电机发生过流时，变频器停止输出，采煤机停止牵引，中文显示窗显示故障信息和解决方法。,二、变频器的常见故障处理方法及注意事项 1、在判断变频器故障前，确保给变频器提供电源 2、断电检查快速熔断器，如果有一个快熔损坏，变频器应正常显示，只是在带负荷运行时报出电源缺相故障，可更换快熔；如果两个快熔损坏，则需要用万用表检查接线端子是否有接地故障，检查作为电能储存器的电容组。不允许在不检查的情况下，直接更换快熔，可能再次损坏快熔。 3、观察控制盘是否亮，如果有一个控制盘不亮，可采取互换控制盘和连接线确认控制盘是否损坏。如果控制盘如下显示： CDP312(R) PANEL Vx.xx . 光标一直闪烁不停 ，可采取互换控制盘确认控制盘是否损坏，如果还是这样显示，可判断变频器主板损坏，更换变频器。如果互换完控制盘和连接线，该变频器所连接控制盘还是不亮，则需要检查进线侧三个快速熔断器是否完好，如果完好，则变频器RMIO控制板有问题，需要更换。,4、观察控制盘显示内容，警告和故障显示分别如下： ACS800-01-0100-3 ACS800-01-0100-3 *WARNING* *FAULT* DC BUS LIM(3211) MOTOR STALL(7121) 5、变频器断电后，必须等待5分钟以上，以防止中间直流回路放电造成电击，并用万用表测量每个输入端子和地之间的电压，以保证变频器装置放电完毕。 6、变频器在运行过程中，不允许在1分钟内连续三次切断电源，以避免变频器内的充电电阻因过流而烧毁，造成变频器不能工作。 7、测量牵引电机的绝缘时，必须把牵引电机和变频器的连接电缆从电机端子拆下，否则，有可能造成变频器内的IGBT模块永久性损坏。,附录：变频器操作面板CDP312故障显示信息 变频器有完善的故障自诊断和显示功能，系统运行时连续监视电机和变频器自身的状态，保证变频器不受损坏。 1、变频器过温警告 显示信息：TEMP 故障原因：变频器装置内部过温，过温温度整定在115C 解决方法：检查变频器箱内环境温度条件。 检查冷却水压力和流量是否正常。 检查变频器底板水套是否被堵。 检查变频器冷却底板与变频器箱底板是否紧密结合。 2、变频器输出过流 显示信息：OVER CURRENT 故障原因：变频器输出电流过流或电机、电缆发生短路，触发极限是 3.5Ie。 解决方法：检查电机负载，电机、电机电缆是否短路。 检查电机和机械部件的连接处。,3、变频器输出短路 显示信息：SHORT CURRENT 故障原因：变频器输出过流。 解决方法：检查电机和电机电缆。 检查采煤机的机械行走部件和滑靴。 4、变频器直流母线过压 显示信息：DC OVERVOLT 故障原因：变频器内部直流母线电压太大。 解决方法：检查过压控制器设置是否正确。 检查牵引变压器输出有无波动或静态过压。 检查减速时间。 5、变频器输入电源缺相 显示信息：SUPPLY PHASE 故障原因：变频器内部中间直流电压振动，可能是主电路缺相，快速熔 断器烧断，或是整流桥内部故障引起。 解决方法：检查供电电源是否缺相。 检查变频器输入回路上的快速熔断器是否烧坏。,6、变频器中间直流回路欠压 显示信息：DC UNDER VOLT 故障原因：变频器供电电源缺相，快速熔断器烧坏，或整流桥内部故障 损坏。欠压触发极限为0.65Umin。 解决方法：检查牵引变压器是否正常工作。检查变频器输入端快速熔断 器是否