IGCT变频器在矿井提升机和皮带机调速系统上的应用

文:李定川2017年第四期

1引言

    近几年来,随着一种新型电力电子器件——集成门极换向晶闸管IGCT的成功应用,由于其高电压和大电流、较小的开关损耗、较快的开关速度等优点,被瑞士ABB公司应用于大功率交一直一交变频调速系统ACS6000SD中。IGCT的主要技术指标为:瞬时开关频率20kHz,开关关断时问为1μs,di/dt为4kA/μs,dr/dt为10~20kV/μs,交流阻断电压6kV,直流阻断电压3.9kV。

2IGCT逆变器工作原理

    2.1IGCT结构

    IGCT结构如图1所示,图1左侧是GCT(门极换流晶闸管),右侧是反并联的二极管。IGCT是在GTO的基础上研制出来的改良器件,是由GCT和硬门极驱动电路集成而来的。GCT与GTO有着类似的3端4层结构,与GTO有重要差别的是GCT芯片利用缓冲层技术,采用透明阳极发射技术的IGCT阳极很薄,且为弱掺杂,硅片厚度更薄,可大大降低导通和开关损耗。GCT内部由上百甚至上千只小GCT元件组成,它们的阳极公用,而阴极、门极则分别并联在一起,其目的就是利用门极实现器件关断。

图1IGCT结构图

    ACSC6000SD系统的IGCT驱动电路触发功率小,把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体,通过两根光纤输入触发信号,输出工作状态信号。IGCT与门极驱动器相距很近(间距15cm),使IGCT结构更加紧凑合坚固,并可使门极电路的电感进一步减小,降低了门极驱动电的成本和效率。门极驱动电路需要20~24V的直流电源。驱动板设有单独的开通电路和关断电路。逻辑监控电路对IGCT的状态进行监控,假如功率开关器件损坏,通过驱动板上的发光二极管显示,若驱动电源有故障,也通过不同的发光二极管显示。若电路正常,通过光纤给出高电平,IGCT导通,给出低电平,IGCT关断。

    IGCT利用门极脉冲开通,导通机理及结构与GTO完全一样,但关断机理与GTO完全不同。当GCT工作在导通状态时,是一个像晶闸管一样的正反馈开关,其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断时,GCT能瞬间从导通状态转到阻断状态,阳极电压一旦建立GCT门一阴极PN结提前进入反向偏置,电子便能通过发射极排出,部分电子在金属电极界面处复合,而不注人空穴,此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增益,拖尾电流虽然大但时间短(表1为GTO和IGCT的性能比较),从而大大提高了门极触发灵敏度,缩短了关断时间,提高了关断速度,兼顾了晶体管稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗的优点,降低了关断损耗,并有效地退出工作,整个器件呈晶体管方式工作。

表1GTO和IGCT性能比较

2.2IGCT逆变器

    IGCT逆变器的拓朴结构为三相三电平,共包括12个带组合二极管的IGCT模块,每相由4只IGCT,8只二极管组成,其中钳位二极管2只,中点二极管2只,反馈二极管4只。由这些器件组成一个三电平逆变器如图2所示。

图2三电平逆变拓扑结构图

    以A相为例,定义电流由逆变器流向电机方向为正方向。给VT1m、VT1A导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则P点电流流过主管VT1m、VT1A,输出端电位等同于P点电位;若电流为反方向,流过续流二极管VD1m,VD1A,电流注入P点,输出端电位仍等同于P点电位。给VT1A、VT4A一导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则O'点电流流过二极管VD1、主管VT1A,输出端电位等同于O'点电位;若电流为反方向,电流流过主管VT4A、二极管VD4,注入O'点,输出端电位仍等同于O'点电位。给VT4A、VT4M导通触发脉冲时,假如电流为正方向,则N点电流流过续流二极管VD4A、VD4m,输出端电位等同于N点电位;若电流为反方向,电流流过主管VT4A、VT4m,注入N点,输出端电位仍等同于N点电位。

    由此可见,每相桥臂的4个IGCT有3种不同的通断组合,对应3种不同的输出电位。设VT1m与VT1A。导通为模式1接通P,输出电压+Ud/2;VT1A与VT4A接导通模式2接通O',输出电压为0;VT4A与VT4m导通为模式3接通N,输出电压为-Ud/2。

3提升机变频调速系统

    新型矿井提升机变频调速多采用ABB公司的ACS6000SD交-直-交变频器,带4000kW同步电动机的驱动方案。ACS6000SD驱动控制系统包含有两个拓扑结构完全相同的三电平IGCT变流器,一个作为PWM整流器(ARU),另一个作为PWM逆变器(INU),其结构如图3所示。

图3ACS6000SD电路结构图

    鉴于矿井提升机的运行工艺,提升机属往复运动的生产机械,频繁加、减速,另外矿井提升机电动机容量达4000kW,因此系统要求开关器件路元件数、热耗散,从而明显降低了门极驱动电路的工作电压高、工作电流大及通态损耗低。ACS6000SD系统的IGCT单管交流阻断电压达6000V,瞬时电流达4kA,开关关断时问1s。ACS6000SD是基于直接转矩控制技术新型交-直-交电压型中压变频器,功率范围从3~27MW。整流单元ARU和逆变单元INU的硬件拓扑结构是完全相同的,不同之处是ARU单元比INU单元多了2块ASE抗磁饱和电路。

    ACS6000SD系统通过交-直-交变频器对矿井提升同步电动机进行控制,IGCT在电路中作为变频器的主开关器件。变频器主电路由进线侧三电平整流器、中问直流电路、电机侧三电平逆变器构成。该电路具有以下特点:(1)可以实现输入功率因数为1;(2)在额定负载下的效率大于97%;(3)可控制同步电动机功率因数为1;(4)逆变器采用直接转矩控制技术,静态速度误差0.01%,动态速度误差0.2%~0.5%。

    整流单元ARU将变压器的二次侧交流电压整流为直流电压,整流输出电压为直流4800V。在直流母线处有储能电容单元CBU,CBU中的大电容用来存储能量,用于保证直流回路的电压恒定。根据电动机的运行模式(电动或制动),ARU分别从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量的双向流动。

    功率因数控制:ARU整流器采用矢量控制策略,通过选择适当ARU脉冲触发模式,使变压器电流与线电压具有相同的相位,从而使系统的功率因数为1。变压器是感性负载,要使功率因数为1,就要对其进行补偿,使其总体呈阻性负载,因此ACS6000SD系统在直流侧增加了CBU电容柜,以容性负载的超前特性来抵消感性负载的滞后,这就要求能量能经过ARU进行流动,而ACS6000SD系统也具备了让ARU反向逆变的功能,使ARU实现反向逆变功能是由ARU的控制板AMC3来控制的。

    三电平逆变单元将ARU整流输出的直流电压转变为频率可调的交流电压以驱动电机。逆变单元允许4象限运行。INU单元的电路拓扑结构与ARU整流单元相同,INU逆变器采用的控制策略为基于三电平的直接转矩控制。INU和ARU一样,其直流侧连接到直流回路的电容上,因此对整个系统是对称的。由于IGCT关断时正向电流必须迅速归零,di/dt过大,因此利用钳位电路来吸收IGCT关断时的能量。

    CBU单元的作用是过滤和平滑直流母线上的直流电压,储存逆变器反馈回来的直流电能。CBU单元的主要组成部分如下:

    (1)充电回路由一个辅助升压变压器(输入660V,输出为3900V/0.9A)和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开始工作之前对直流回路进行充电,使直流回路中的直流电压稳定在DC4200V左右,整个充电过程需要时间大约为40s。如不对直流回路进行预充电,ARU开始工作时会产生一个很大的浪涌电流,对CBU内的电容产生冲击破坏,同时对ARU单元内的IGCT器件构成威胁。

    (2)电容组是CBU的主要部分,它直接连接在直流侧的正极(DC+)与中性点(NP)、中性点与负极(DC-)之间。ACS6000SD系统的直流侧电容的数量取决于系统容量的要求,例如配置6个电容可以达到9MV·A的系统容量,每个电容的容量为1.6mF(2700V/260A)。

4皮带机运行原理概述

    强力皮带机是矿山运输的主要设备,其多电机拖动功率平衡分配是主要问题,本文主要介绍了合康HIVERT系列通用变频器在矿山强力皮带机上的应用。

    带式输送机是利用传动滚筒和输送带之间的摩擦力,驱动输送带运行的连续的运输设备。输送带既是牵引构件又是承载构件。

    国内现有大多数煤矿的皮带输送机一般都采用工频拖动,较少使用变频器驱动。由于电机长期工频运行加之液力耦合器效率等问题,造成皮带运输机运行起来非常不经济;同时由于电机无法采用软起软停,在机械上产生剧烈冲击,加速机械的磨损;还有皮带、液力耦合器的磨损和维护等问题都会给企业带来很大数额的费用问题。这对于现在创建节能型社会是不相符合的,对煤矿企业的皮带输送机进行变频改造对节约社会能源、增加煤矿企业的经济效益都具有非常现实的经济意义和社会意义。随着高压变频技术的不断进步和完善,其应用范围越来越广泛。本文主要结合北京合康变频器的HIVERT系列通用高压变频器在某矿山煤矿皮带机上的实际应用情况,对高压变频器在皮带传动场合的应用特点和注意事项进行简要介绍。

5应用现场的基本情况

    某煤矿隶属于四川矿业集团有限公司,如图4所示;煤矿矿井结构图如图5所示。强力皮带机数据,如表2所示;两台拖动电机数据一致,如表3所示。

图4煤矿外景

图5煤矿矿井强力皮带机结构图

表2强力皮带机的数据

表3双台拖动电机数据

6矿山皮带机的结构现场图

    (1)拖动电机1和电机2,如图6所示。

图6电机M1和M2现场图

    (2)拖动滚筒和逆止器,如图7所示。

图7滚筒和逆止器现场图

    (3)盘形制动器,如图8所示。

图8盘形制动器现场图

    (4)运输强力皮带,如图9所示。

图9强力皮带现场图

7煤矿皮带机变频调速系统方案设计

    皮带机多机变频调速系统的核心问题是皮带系统中各电机的转速和转矩平衡问题。在实际应用中,根据现场工艺不同,可以选择不同的变频控制方案。

    (1)“一拖二”方案

    此方案是采用一台变频器同时拖动两台电机运行,将各个电机定子绕组直接并联在一台变频器输出测。

    “一拖二”方案中,变频器无法对电机的转矩进行独立的控制,因此各电机的出力由电机的参数和皮带参数决定;其中,影响电机功率平衡的主要因素是电机的参数差异和拖动滚筒及皮带的包络角差异;正常情况下,包络角的大小只存在设计上及加工上的差异,但是当系统正常运行后,由于提升的货物是潮湿的,皮带在卸货物后,上面仍残留一些煤渣,这时候转到拖到滚筒上,就会使拖动滚筒直径变大;误差越大,系统中电机的功率差异就会越大。

    采用“一拖二”方案有以下三个弊端:一是变频器不能有效的分配两台电机的功率;二是需要用户经常清理拖动滚筒的煤渣及杂物;三是变频器不能有效的保护每一台电机。

    (2)“双机联动”方案

    此方案采用两台变频器分别拖动两台电机,将各个电机定子绕组直接分别接在两台变频器输出测。

    双机联动同步运行变频系统是由完全独立的两台变频器通过主、从机的同步通讯方式保证双电机的转速、以及功率平衡的。两台电机中任意一台都可作为主机,另一台为从机。

    双机拖动方案中,变频器对电机的转矩都能独立控制,主从变频器通讯采用光纤通讯,抗干扰能力强,通讯速率快,用户可不必清理拖动滚筒的煤渣及杂物,变频器主从之间可以自动来调整变频器输出转速及功率一致。

8HIVERT系列通用高压变频器现场应用情况

    (1)变频器的选择

    综合现场工艺要求,由于现场强力皮带机无负力,故采用双台合康HIVERT系列通用高压变频器。变频器数据,如表4所示。

表4变频器数据

    变频器功率额定电压额定电流输出频率

    (2)合康变频器双机联动控制技术

    双机联动(主从控制)同步运行变频系统是由完全独立的两台或者多台变频器通过主、从机的同步通讯方式保证双电机的转速、以及功率平衡的。两台电机中任意一台都可作为主机,另一台为从机,主从机之间的同步控制是由我公司自行研发生产的“内嵌式同步控制器”实现的。同步控制的传输介质为光纤通讯;此种双机通讯方式无需增加额外的繁杂的同步设备,且已经在变频器内置完成,只需要简单的安装操作及设置就可实现双(多)机同步运行。    

    主、从电机在运行过程中,系统会出现由工况引起的功率不对称分配,某台电机出力严重超过电动机的额定功率,而另一台电机则会过度轻载运行。主、从电机非同步运行很容易造成运行设备的损坏。且长期运行后,超载运行的电机也会出现过热、过载保护、过流现象或停机等事故发生。为避免功率分配的不对称出现,HIVERT高压变频器通过内置的高速同步通讯,可将非同步状态下输出功率较大电机的超载功率部分及时平衡到轻载电机上,实时保持前后主、从电机功率均衡对称分配,动态自动调整,由此实现主、从变频器的同步运转,达到双电动机同步运行的目的。

    (3)现场变频器系统框图,如图10所示。

图10现场变频器框架图

    (4)现场功率平衡的解决方案

    变频器多机运行过程中,电机的功率平衡成为运行中的控制重点。

    HIVERT系列通用高压变频器采用光纤通讯,通讯速率达500kbps,足以应付现场的通讯需求,并加入CRC校验,保证数据传输的准确性。

    HIVERT系列通用高压变频器,当主机接收到正常启动信号后,主机启动变频器,同时将运行信号,运行频率及转矩电流发送给从机,从机按照主机发送过来的数据正常启动、运行、输出转矩的控制,从机本身具备转矩电流的调节,同时将自身的转矩电流与主机发送过来的转矩电流做比较,从机会自动调整自身的运行频率,从而达到两台变频器的功率平衡。主机的运行界面如图11所示;从机的运行界面如图12所示。

    (a)有故障时的开机界面

    (a)正常工作时的开机界面

图11主机运行界面

图12从机运行界面

    斜井强力胶带输送机是煤矿输送的重要工具,在煤炭生产中具有举足轻重的地位。作为高压变频系统在输送机的动力系统,如何使两台电机带动的皮带机协调安全运行是重中之重。新疆建设兵团塔什店煤矿强力胶带输送机高压变频电控系统中(见图13的主回路),由两台高压变频器带动皮带提升机。以下是在调试时,双机联动运行所遇到问题及解决方案。

    启动运行时,虽然电控系统给定的两台变频器的速度一致,但在实际运行过程中,总是存在两台电机运行的速度不一致,使其中一台机械速度高的电机因过负荷而变频器过电流跳闸,负荷过轻(因运行速度低)的一台变频器过电压而跳闸保护。图13为电气一次图及皮带提升机械简图。

(a)电气原理图(b)斜井皮带提升原理图

图13煤矿强力胶带输送机高压变频电控系统

    塔什店煤矿强力胶带输送机电气及机械参数如下:

    胶带机运输机

    滚筒直径:2m

    输送倾角:20°30″

    最大长度:1310m

    带速:2.5m/s

    主电机型号:YB450-4

    总功率:2X400kW

    额定电压/电流:10000V/28.6A

    额定转速:1485r/min

    减速机型号:ZSY(a)560(t)-45-Ⅱ

    速比:62

    高压真空开关柜

    型号:KGS1-02DS

    皮带主控台

    型号:JPDK-ZN-ZKP

    高压变频器

    型号:HIVERT-Y10/036

    额定电压/电流:10000V/36A

    输出频率:0-50Hz

    现场双机拖动皮带的示意图如图14所示。

图14双机拖动皮带的现场示意图

9变频器产生过电压的原因

    (1)主要是来自负载侧的过电压

    当两台电机拖动皮带机并行运行时,如果其中一台电机运行的速度超前于另一台电机的速度,会使第二台电动机处于再生发电状态。即电机处于机械转速比变频输出频率决定的同步转速高的状态时,负载的传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能,通过2个逆变器的续流二极管回馈到变频器功率单元的中间直流回路中。此时的逆变器处于整流状态,同时高压变频器串联叠波方式的特点,电压升高会集中在中性点上,单元A1、B1、C1的直流母排上;如果变频器中直流均压电阻不足以抵消这些能量,这些能量将会导致中性点上的直流回路的电压上升,达到限值即会保护跳闸。

    过电压保护是变频器直流母排上直流电压达到危险程度后采取的保护措施,变频器过电压的危害,对直流回路滤波电容器寿命有直接影响,严重时会引起电容器爆裂。因而在高压变频器中一般将功率单元的直流回路过电压值(L+,L-)限定在AC1150V左右,一旦其电压超过限定值,变频器将按限定要求跳闸保护。

    (2)来自进线电源输入侧的过电压

    正常电网输入的电源电压为10kV,允许误差为-5%~+10%,输入主隔离变压器后,付绕组每个绕组电压为640V,三相桥式全波整流后直流的峰值为820V,个别情况下电源线电压达到705V,其峰值电压也只有996V,并不算很高,一般进线电源电压(+15%)不会使变频器因过电压跳闸。电源输入侧的过电压主要是指电源侧的冲击过电压,和雷电引起的操作过电压等,主要特点是电压变化率dV/dt和幅值都很大。

10变频器过电压故障分析及处理对策

    当变频器启动频率加速时间设定不合适,在启动的瞬间,两台变频器不是运行在相同频率(变频器在加速过程中,皮带机上两个电机拖动同一个负载,由于没有负荷分配,如其中一台出现启动瞬时电流非常大,输出电流达到变频器限电流超过了设定的上限值,此时变频器的输出频率将不再上升,暂缓加速,待输出电流下降到设定限流值以下后再继续加速。),以至于其中的一台变频器的运行频率高于另一台频率,在较严重时两台电机频率可以相差0.2Hz,此时足以使一台变频器过电流或另一台变频器过压。

    (1)首先解决双电机机械速度一致的问题

    这种情况在调试过程中,解决是两台电机的过压问题,要使两台变频器同时输出,在他们之间内部增加控制单元,解决同频同速的问题。其控制原理是:分别检测两台电机的输出电流及两台变频器的过电压,在同时启动的过程中,通过放大过负荷能力,同时尽可能使负荷分配一致,这样他们的运行频率(速度)一致。这样避免或减少其中一台电机多余能量向中间直流回路馈送,使其过电压的程度限定在允许的限值之内。

    (2)其次降低工频电源电压

    目前变频器电源侧一般采用不可控整流桥,电源电压高,中间直流回路电压也高,电源电压为690V时,直流回路电压分别为910V。塔什沟矿变频器距离变压器很近,变频器输入电压高,对变频器中间直流回路承受过电压能力影响很大,在这种情况下,可以将变压器的分接开关放置在高压档(10.5kV),通过适当降低电源电压的方式,达到相对提高变频器过电压能力的目的。

    在二象限电压型高压变频器系统中,由于能量的不可逆特点,直流过电压是她的一个弱点,尤其是在矿井皮带机双电机拖动系统中。关键是要分清原因,结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况,才能制定相应的对策。

11结语

    IGCT变频器是基于双PWM的三电平变频器调速装置。整流桥侧采用矢量控制技术,可以大大减小整流侧的电流谐波,任意调整电网侧的输入功率因数以及实现4象限运行;逆变器侧采用DTC控制,其输出的转矩响应更快;使用三电平技术,使输出线电压波形更加接近正弦波,变频器中的IGCT承受的电压仅为直流电压的一半,这样将变频器的电压和容量提高一倍。故IGCT变频器非常适用于高电压、大容量的矿井提升机调速系统,其提升效率明显高于同类型设备,能耗大幅度下降。经过变频技术改造后皮带机运行良好,彻底实现了强力皮带输送机的软起、软停运行方式以及转速和功率平衡双闭环的调节,大大提高了系统的功率因数和系统效率。改造后系统可以根据负载变化情况自动调整输出频率和输出力矩,改变了以前电机工频恒速运行的模式,在很大程度上节约了电力能源。经过改造后的运行,事实证明HIVERT系列通用高压变频器有着无法比拟的优越的产品性能和无法超越的技术领先优势,在煤炭行业的节能改造中应用能够创造巨大的经济效益和良好的社会效益,对于创建节能环保型的社会发挥着重要的作用。

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