基于空间矢量的防爆绞车变频调速系统

基于空间矢量的防爆绞车变频调速系统

防爆绞车是重要的钻井运输设备。特别是大型矿山综合采区的运输需要2m（以上）以上的绞车装置，需要低速运营。2m防爆绞车主要有液压调速、串电阻调速和变频调速等几种调速方式。与其它几种调速方式相比,变频调速绞车具有成本低、体积小、效率高、易于控制等优点。但是,我国目前尚不能生产此种绞车,因此,研究和开发变频防爆绞车电控装置具有重要的现实意义。近年来,采用PWM(PulseWidthModulation)技术的交流变频调速系统逐渐应用于工业领域中。就PWM而言,本质在于优化开关函数,使得逆变器按一定规律输出电压或电流。一般说来,有两种PWM控制的算法,即正弦波脉宽调制SPWM(SinePulseWidthModulation)算法和电压空间矢量算法(SVPWM,SpaceVectorPulseWidthModulation)。与SPWM算法相比,SVPWM算法具有直流电压利用率高,损耗较小,便于数字化方案的实现的优点,因此得到了广泛的应用。同时数字信号处理器(DSP,DigitalSignalProcessor)和智能功率模块(IPM,IntelligentPowerModule)性价比迅速提高,它们广泛应用于交流调速系统中。本文从电压空间矢量控制原理出发,给出了SVPWM算法在TMS320LF2407上实现的硬件方法,采用DSP和智能功率模块DYNEX组成全数字化绞车变频调速系统。1plc控制系统变频绞车电控系统(见图1)可简单地划分为:变频调速系统(由输入电抗器箱+VFD1、变频器箱+VFD2、输出电抗器箱+VFD3组成);PLC控制系统(由PLC控制箱+DS、司机台+PA组成);信号系统(+LM)。变频调速系统是根据PLC控制系统发出的控制指令,通过对绞车交流拖动电动机的转矩和频率控制,来完成对绞车的启动、加速、稳速、减速、停止等运行过程的控制。交流异步电动机采用了矢量控制技术后,使异步电机的调速性能与直流电机相媲美。表现在低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、节能明显等。PLC控制系统主要完成绞车从启动、加速、等速、减速、爬行到停车的整个过程的逻辑控制;行程测量、控制与指示;故障检测、报警与保护;安全电路及液压站工作制动与安全制动控制等。PLC控制系统极大地提高了控制系统本身的安全可靠性,使绞车控制性能和保护性能更加完善;使控制系统的硬件组成和线路更加简化;操作和维护更加容易。PLC控制系统受信号系统的控制与闭锁。信号系统是根据上下井口或各个中段的生产情况,在具备开车条件后,由各水平信号工以打点的形式,通知司机按要求开车,同时与PLC控制系统之间有各种信号闭锁,可避免因司机误操作造成安全故障。信号系统内部有严格的逻辑闭锁,并有语音对讲和报警功能。2频设备的开发2.1平行四边形法对于理想三相正弦系统,电压空间矢量定义为Ur=2/3(Ua+ej23πUb+ej43πUc)(1)Ur=2/3(Ua+ej23πUb+ej43πUc)(1)对于三相电压源型逆变桥的6个开关,假设“1”和“0”分别代表上、下桥臂导通,则共有8种开关状态,分别为U0(000)、U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111)。代入式(1)则得到基本电压矢量图(见图2),包括六个有效矢量(U1～U6)和两个零矢量(U0,U7)。按照平行四边形法则,利用这8个空间矢量可以合成任意的电压矢量。以第Ⅰ扇区为例,由平均值等效原理可得U4T4+U6T6=UrTs(2)由式(2)和三角形正弦定理可得T4=mTssin(60°-θ)(3)T6=mTssinθ(4)T0=Ts-T4-T6式中:θ为参数矢量与该扇区第一矢量的夹角,0°<θ<60°;Ts为PWM周期;m为调制系数;T4为开关矢量U4的作用时间;T6为开关矢量U6的作用时间;T0为零矢量的作用时间。2.2s120lpsp电路设计为使变频器结构简单,工作可靠,采用TI公司的TMS320LF2407DSP作为控制电路的核心,和智能功率模块一起构成交—直—交电压型变频电路(见图3),它基本上分为两部分,即系统主电路和控制电路。2.3igbt/igbt单元变频器主回路由输入电抗器、充电限流电阻、整流单元、储能滤波电容和IPM三相逆变器电路构成(见图4)。该系统前端AFE整流回馈单元采用400A/3300VIGBT每相3并联,AFE整流回馈单元直流电容选用HITEC公司的HCGF5/450V每组6串联共9组,每只IGBT上一组电容。该系统后端逆变单元采用400A/3300VIGBT(可选DYNEX、MITSUBLISH、EUPEC)每相3并联,后端逆变单元直流电容选用HITEC公司的HCGF5/450V每组6串联共9组,每只IGBT上一组电容。前端AFE整流回馈单元Stack与后端逆变单元Stack采用相同的电气结构。2.4dsp的执行过程控制电路的主要功能是根据设定的频率值,生成SVPWM波形。控制电路主要由TMS320LF2407、24LC256、MG-12232、键盘等组成。采用TMS320LF240系统生成SVPWM波形最为方便且精度高,这是由它的优越性能决定的。其基本特性有:①采用高性能静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,减少了控制器的损耗;②30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns,从而提高了控制器的实时控制能力;③片内高达32K字的FIASH程序存储器,高达1.5K字的数据程序RAM,544字双口RAM(DRAM)和2K字的单口RAM(SRAM);④10位A/D转换器最小转换时间为500ns,可选择由两个事件转换器来触发的两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器;⑤看门狗定时器模块;⑥基于锁相环的时钟发生器;⑦高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO);⑧5个外部中断(功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断和两个可屏蔽中断);⑨两个事件管理器模块EVA和EVB,每个包括:两个16位通用定时器;8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现:三相反相器控制;PWM的对称和非对称波形;当外部引脚PDPINTX¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ΡDΡΙΝΤX¯出现低电平时快速关闭PWM通道;可编程的PWM死区控制以防止同一相的上、下桥臂两者同时输出触发脉冲;3个捕获单元;片内光电编码器接口电路。利用DSP实现SVPWM的关键是在每一个PWM周期里,合理分配Ux,Ux±60,U0或U7。对于TMS320LF2407来说,可以通过该芯片上的SVPWM硬件模块来直接实现。具体执行过程如下:①设置ACTRx寄存器用来定义比较输出引脚的输出方式;②设置COMCONx寄存器来使能比较操作和空间矢量PWM模式,并且把CMPRx的重装入条件设置为下溢;③将通用定时器1或3设置成连续增/减计数模式,并启动定时器;④确定两个相邻向量,Ux和Ux+60;⑤计算参数T4、T6和T0;⑥将相应的Ux的开启方式写入到ACTRx.14～12位中,并将1写入ACTRx.15中,或者将Ux+60的开启方式写入到ACTRx.14～12位中,并将0写入ACTRx.15中;⑦将二分之一T4的值写入到CMPR1寄存器中,将二分之一(T4+T6)的值写入到CMPR2寄存器中。2.5主程序的实现系统程序包括主程序、显示子程序,SVPWM中断服务子程序,PI子程序等。主程序先完成初始化工作,然后根据控制策略计算出需要的频率,等待中断的产生即可。在定时中断子程序中,根据此时f和Uout的当前位置,查转换模式表得到需要的主矢量和辅矢量,并计算出它们分别作用的时间T4和T6。3b板u1mc14504b经过近一年的试制,500kW/1140V四象限隔爆兼本安型智能变频调速装置于2005年底在朱庄矿地面进行转矩测试,并在暗立井投入运行。该系统投入运行两天后在逆变器内部温度超过45℃时出现电机喘振现象,在启动过程中出现电机转矩脉动现象,电机电流波形正负不对称。试运行两天后该装置逆变器内部C相IGBT炸毁。对损坏单元进行修复,并进行了系统的全面检测。在测试过程中发现逆变器内部C相下桥驱动信号有时中断,最后查到PIB板U1(MC14504B)的14角焊接问题,U1是将主板发出的6路驱动信号送至驱动板的隔离放大模块。14角为C相下桥的驱动输出信号,应在PIB板上双面焊接,但实际焊接时该管脚插弯,并未插至印制版背面,产生虚接。如果不是这种虚接,即使波形不好也不会损坏IGBT。经过以上事故后,对所有的焊接处进行了检查修复,并对整套系统进行了完整的短路测试,各项指标均正常。2006年5月底,技术人员在朱庄矿现场进行测试时发现在0～5Hz运行温度超过47℃时输出电流不对称现象,在6～50Hz任何温度状况下输出电流波形正常,在46℃以下任何频率段输出电流波形正常。该故障经测试虽不会造成变频器损坏,但运行温度超过47℃时会影响到绞车的低速运行性能。经过对软件进行全面测试,对硬件进行仿真高温测试,特别对关键器件加热后进行测试,以及对性能进行全面测试。结果软件测试未发现问题;对所有控制系统高温仿真测试,经过严格的检测,发现驱动板ZD1、ZD2的两个稳压管在温度超过45℃时漏电流会逐渐增大,从而导致Q5、Q6两个三极管误触发。将R31、R33电阻改为1K后系统正常,所有器件温度即使超过75℃都能正常工作。2006年7月15日,朱庄矿副暗立井绞车电控进行改造,500kW/1140V防爆变频装置投入运行,对各种负载状况、运行方式、保护性能、谐波等进行了测试,认为该系统已经基本满足了研制技术要求,可以正常使用,目前运行状况良好。4煤矿交流提升机电控本项目的研制,解决了我国井下大容量(315kW以上)的提升机其电器设备不防爆、技术落后、安全