详解低频制动交交变频全数字控制的主电路设计

矿井提升机所使用的交流绕线式电动机通常是靠切换其转子电阻来进行调速的。但电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。当提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。通过操作人员同时施用机械闸，利用闸制动和电机拖动的合成特性来得到要求的减速度及低速爬行。这样做，不仅耗电量大，闸瓦磨损大，而且操作人员工作非常紧张，安全性、可靠性差。

晶闸管串级调速自动化提升机，可以获得较好的控制特性。但电控设备多、容量大。为获得减速阶段的制动力矩，还需一套动力制动装置，因而使系统复杂，投资增加。特别是对于500kW以上的绕线电动机，其转子电压约为700V左右，使晶闸管装置的选择带来困难。

当交流提升机只采用动力制动时，减速爬行阶段就要出现制动-电动、电动-制动的多次转换，才能获得平均的、而非平稳的爬行速度，能满足爬行距离较长的提升机。这种方法要求主减速器有两个主轴，并增加气囊离合器，增加了机械结构和制造过程的复杂性。动力制动的最大弱点是不能提供正力矩。当系统需要低速正力爬行时，要从动力制动转换到高压状态工作，实行爬行阶段二次给电的脉冲爬行。这种方法机械特性较软，不易控制。

采用低频制动，即将电动机定子绕组从三相电网(6kV，50Hz)上断开后，接至电压相序相同的低频电源上。提升机低频拖动在减速阶段使电动机运行在再生发电制动区内，在爬行阶段运行电动区内。并且，提升电动机由制动状态到电动状态是自然过渡的。交交变频器作为一种在大功率、低速范围内得到很好应用的交流调速方案，其频率范围容易调节，作为低频电源适用于各种作业的交流提升机。而数字化是现代传动技术的发展趋势，实现全数字控制是交流提升机自动化的新课题。

交-交变频器

交交变频调速系统是一种不经过中间直流环节，直接将较高固定频率的电压变换为频率较低而可变输出电压的变频调速系统。其每一相均由两组(正、负组)三相全波变流器反并联构成。输出的整流电压为：

Ud=Ud0cosαp=-Ud0cosαN(1)

式中：αP——正组整流器控制角；

αN——负组整流器控制角；

Ud0——α=0°输出电压平均值。

交交变频器输出电压的基波为正弦波，即：

Ud=Udmsinω1t(2)

则

cosαP=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t(3)

式中：k——输出电压比，k=Udm/Ud0；

ω——输出电压基波的角频率。

通过改变正、负两组整流器触发角的频率，即可改变输出电压的频率;改变输出电压比k值，即可改变输出电压值。

交交变频器通过两组反并联的晶闸管交替工作来产生一相低频的交流电压供给负载，存在环流问题。在可逆直流传动中采用的工作方式(如逻辑无环流、错位无环流、可控环流)一般在交交变频器中均可适用。交交变频器的主电路及基本控制部分可采用直流传动的相同组件和技术。

主电路接线及其特点

SIMOREGK6RA24是SIEMENS生产的一种紧凑式三相交流直接供电的全数字直流调速装置，设计电流范围15A～120A。其基于高性能的16位微处理器，采用参数组态方式用软件实现调速传动控制系统的各种控制功能，具有较高技术水平。该全数字交交变频系统采用三台6RA24构成，主电路为三相桥式，速度-电流双闭环控制，逻辑无环流工作方式。外环为速度环，实现精确的速度控制，内环为3个电流环，以满足三相电流的平衡和协调配合，对三相电流进行交流调制以使输出电流波形为正弦波。主电路接线如图1所示。

图1交交变频器主电路接线图

由图1可看出，该系统构成为三相桥式6脉波接线交交变频器。相电压分别为UOR，UOS，UOT，彼此相差120°，作为三相电压输出。这种联结可使在选用的晶闸管承受电压较低的情况下，提高装置的输出电压。如果3个相电压中含有同样的直流分量，由于采用星形联结，线电压中不含有直流分量，变频器输出到负载的电压波中也不会出现直流分量。从而改善了变频器的输入功率因数。如果3个相电压中含有3,6,9等次谐波，由于这些谐波彼此同相，在该接线(Y 接输出)中也相互抵消，不反映到负载及线电压中去，即输出相电压中的3倍频谐波不会传到电动机端。因此，该系统输出功率大，高次谐波少，输出波形好，工作可靠。

控制系统构成

低频制动方式，使提升机在减速段可将部分机械能转变为电能回馈到电网，并自然过渡到爬行阶段，实现稳定的低速爬行。通过采用数字控制技术，其控制性能得到大大改善。本系统为速度、电流双闭环控制，充分利用了SIMOREGK6RA24的基本控制功能。主要由以下几个部分组成：

(1)主机板。核心为一16位单片机，用以完成系统的自动调节、逻辑操作、故障诊断、自动优化和运行状态及故障显示；

(2)信号板。完成控制电源分配、电流反馈信号传送、脉冲信号隔离放大、操作连锁等。

(3)光电隔离开关量输入、输出板；

(4)智能化A/D，D/A板；

(5)总线板。

各功能控制通过外部总线构成一控制系统，共同完成各项控制任务。其数字控制结构框图如图2所示。

图2中，3个电流反馈信号经电流互感器检测，并由两对采样开关整形后送入单片机;速度给定及速度反馈信号经滤波电路和绝对值电路变换后送入各组单片机。电流和速度调节均由计算机软件完成。数字触发脉冲信号由单片机的6个高速通道输出，并由高频调制信号一起送入逻辑门阵列电路，变换成互差60°的双脉冲列，再经放大和隔离，分别去触发各相功率组件。所有调节和控制全数字化，保证了系统的调节精度。

图2数字控制结构框图

交交变频器用于交流提升机控制系统的研究

传动装置的工作状态通过开关选择。“内控”时通过主机面板按键进行参数设置和装置调试;“外控”时由操作台接通传动装置，通过主机串行接口 RS232(485)施加主给定，使交流提升机低频制动过程操作实现自动化。同时可利用6RA24的状态字观察晶闸管工作状态反馈信号，读出实际值及参数组的写入和储存，完成各数据与PC的通讯。

应用实例

该交交变频全数字拖动控制系统就用于某矿主井，提升机型号JKMD-2.25×4E，AC6kV，800kW。其定转子回路采用真空接触器换向，整个操作过程为PLC控制带CRT监控。中信重机自动化工程公司制造安装，1998年12月投入使用。技术性能完全达到设计要求，运行效果良好，保证了提升设备的安全生产。

结论

(1)采用全数字控制交交变频装置作为低频电源用于交流提升机的拖动控制，提高了提升机运行的安全性，具有显著的节能效果。有利于改善提升机制动、爬行阶段的控制性能，减小爬行距离，缩短提升周期，提高生产能力。

(2)根据系统的运行结果，本装置可适用于矿井提升机的各种运输形式。由于控制器硬件采用了SIEMENS公司技术先进的标准产品，具有很高的可靠性，结合自行开发的软件和主电路控制系统，整套装置具有较高的性能价格比。