ASCS-3(G)直流PWM调速电控系统在MW级直流电机控制系统应用研究

原创工程技术部张四元中矿传动讯息

论

坛

中矿传动技术交流

理论实践

2022年第12期

总第46期

2022年4月25日发布

ASCS-3(G)直流PWM调速电控系统在MW级直流电机控制系统应用研究

工程技术部张四元

导读：矿井提升机直流电机控制系统一直采用老式SCR（可控硅）控制的技术，该技术能耗高，噪音大，功率因数低，容易对电网造成冲击等问题一直无法解决。中矿传动新研发的采用IGBT全控PWM直流调速电控系统，在不更换原直流电机的情况下，可以大幅提升功率因数，有效降低能耗，减少设备启停对电网冲击，降低噪音，确保设备运行更高效、安全！

该技术已经在范各庄煤矿等多个现场成功投运，使用效果十分完美，运行功效大幅提升，深受现场客户认可和好评！

大型直流电机驱动技术从早期的F-D驱动技术到SCR-D全数字驱动技术经历了三代的发展，尚处于停滞不前，随着PWM驱动技术在小功率直流电机上的广泛应用，可主动消除电网谐波，提高功率因数，大型直流电机PWM驱动技术有待于进一步的完善开发。

为解决可控硅驱动直流电机提升机系统存在的问题，我司开发了兆瓦级高性能四象限直流PWM调速装置，功率器件采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，通过IGBT并联技术弥补了现阶段功率器件耐流低、容量小的缺陷，克服了晶闸管的主要缺点。兆瓦级高性能四象限直流PWM调速系统的直流电机转子(电枢)侧引入全控功率变换单元，可对网侧功率因数及谐波进行调节和补偿，主动消除变流装置对电网的谐波污染，提高调速系统的功率因数，消除无功冲击，节约电能。

兆瓦级PWM直流调速电控系统

1、变流器功率回路结构

IGBT全控PWM直流调速电控系统的直流电机电枢侧引入全控功率变换单元，通过PWM控制直流斩波进行调速，全控整流单元在提供稳定直流电压的同时，可对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿，从而使系统对电网造成的谐波影响可忽略不计。磁场侧采用创新的DC/DC变换拓扑结构，省去了励磁开关柜和励磁变压器，并且采用全控变换单元，性能更优。

图1 MW级直流电机电控系统装置

本变流器中采用了如图2所示的新型HV-IGBT功率器件。IGBT是器件与驱动电路的总和。在IGBT中，一些主要驱动电路参数和功能都已经被标准化了。仅需要考虑符合要求的驱动电源、控制信号的转换和恰当的机械装配，这些涉及到驱动电源的标准、隔离、光纤控制界面、控制信号、诊断和保护以及周边环境的设计原则和要求。

图2 IGBT元器件

2、功率叠层母线

在功率变换器的换流过程中，由于线路寄生电感侧存在会引发瞬时的关断过电压，对功率器件造成不利的影响，在关断过电压过高时，甚至会造成功率器件的损坏，同时也会带来电磁干扰等问题。在中小功率应用中，可通过施加吸收回路来抑制关断过电压，如RCD电路等。但在大功率应用场合，由于换流过程中寄生电感所含能量较大，如果通过吸收电路来进行过电压抑制，则需要较大容量的高频吸收电容和吸收电阻，这将会进一步引入电容制造高要求和能耗增大等问题。因此在大功率IGBT变换器中，并不采用附加吸收回路的方法来抑制关断过电压。为减小开关损耗，一般大功率电力电子器件均采用硬开关驱动电路，开关速率通常为微秒级，在如此之快的关断速率下，要限制关断过电压的最有效办法是减小换流回路的寄生电感。

在大功率功率变换器中，普遍使用如图3所示的叠层母线连线方式，和传统的连接电缆相比，采用平板导体加绝缘层的叠层母线具有结构紧凑、低杂散电感和良好的散热性能等诸多优点。

图3 层叠母线示意图

3、堆栈式功率组件

在功率叠层母线设计完成的基础上，功率组件采用了图4单元式设计，功率柜采用了图5组件堆栈式设计，该工艺结构层次清晰，既提高了变流器的功率密度，又方便设备的维护与检修。

图4 功率组件单元

图5 功率柜设计模型

结合现场设备布局要求，按图6设计变流器全套柜体组合。

图6 变流器柜体设计模型

4、考虑结温效应的功率器件损耗分析

从文献调查来看，我国对MW级变流器的研究重点还主要局限在主电路设计和功能实现方面，对其散热系统的研究较少。但现场应用表明，散热性能的好坏直接影响到变流器的可靠性以及使用寿命，恶劣的情况下甚至能直接导致功率器件的损坏。因此准确地计算功率器件的损耗可优化变流器的散热设计，保障变流器的稳定可靠运行。从实用性方面考虑，变流器中通常采用IGBT和反并联快速恢复二极管集成封装的IGBT模块，其总损耗为Pmod=PT+PD。图7是IGBT模块的散热模型，从图中可以看出，功率器件芯片由损耗产生的热量通过基板和散热器传递到空气中，最终达到热平衡。根据IGBT模块的散热模型可建立其热阻等效电路从而计算出各功率器件的结温。功率器件的损耗等效为电流源，热阻等效为电阻，热阻上产生的温差等效为电压。图8中，Rthjc,T和Rthjc,D分别为IGBT和二极管的芯片到基板的热阻；Rthch和Rthha分别为基板到散热器和散热器到环境的热阻；Rthca为基板到环境的热阻，其热阻值远大于Rthch和Rthha，可以忽略不计。Tvj,T和Tvj,D分别为IGBT和二极管的结温；Tc和Th分别为基板和散热器的温度；Ta为环境温度。

图7 IGBT模块散热模型

图8 IGBT热阻电路图

由热阻等效电路可以得出IGBT和二极管的结温以及基板和散热器的温度表达式，如下：

（4-1）

通常IGBT模块手册会分别给出IGBT和二极管基板到散热器的热阻Rthch,T和Rthch,D，因此基板到散热器的热阻可表示成两热阻并联，即

（4-2）

本项目的变流器采用强迫风冷散热方式，散热器由很多块金属平板组成，平板之间存在间隙。散热器到环境的热阻公式如下

（4-3）

式中，L，l和b分别为散热器平板的长度，宽度和厚度；n为平板的个数；Ks为散热器金属材料的导热系数；A为散热器的总表面积；vs为风机风速。

5、矿井提升机非线性悬停控制器

在煤矿的安全生产过程中，矿井提升机主要承担着提升煤炭、提升与下放设备及矿井工人运输等任务，为此，不仅需要对提升机的转速进行精确控制，还需要对提升机进行悬停控制。通常，矿井提升机静止的时候多通过外围机械抱闸设备使其静止不动，以方便物品及人员的进出提升罐笼，当提升机准备运行时，首先要对机械抱闸设备进行松闸，此时为了保证配重及提升货物（人员）的重量平衡，电机驱动设备需要采取有效的悬停控制方法迅速而平稳的提供与负载力矩相反的初始转矩，从而避免遛坡现象。不仅如此，在某些特殊情况下，矿井提升机控制装置还需要具备在外围机械抱闸设备不抱闸的前提下实现短时乃至长时间悬停提升物的能力。可见，对矿井提升机悬停控制装置及方法的研究是非常有必要的，并且具有工业应用实际意义。

传统的针对矿井提升机的悬停控制方法多采用直流电流注入法，其改进的方法为PI调节器控制法。采用PI调节器作为悬停控制方法的实现形式在控制参数选择上存在矛盾，其结果是矿井提升机在某一位置附近抖动，是无法有效解决矿井提升机悬停控制问题的。

针对现场这种情况提出一种基于零速启动的变流器非线性悬停控制器，从本质上解决问题。非线性悬停控制器是采用一种基于初始力矩快速平滑识别的零速控制方案。可应用于有速度传感器或无速度传感器矢量控制或直接转矩控制系统中，适用于具有旋转磁场的电机，如异步电机、同步电机。应用该方法及装置可以有效避免传统矿井提升机悬停控制及悬停零速启动控制中溜坡距离大、稳定性差的问题，同时对于有速度传感器的提升系统，还大大降低了系统速度传感器在零速条件下观测精度给系统带来的负面影响，使系统更加稳定、收敛速度更快，具备较好的速度控制及转矩响应性能。

非线性悬停控制器实现原理如下：

速度给定信号ωref及实际转速ωr构成闭环，实现对提升机的速度闭环控制，速度给定信号ωref减去实际转速ωr得到速度偏差量Δωr，进而求取其幅值|Δωr|，具体可按下式计算：

Δωr=ωref-ωr (5-1)

采集速度比较及处理环节输出的实际转速ωr及其幅值|ωr|，对提升机进行初始转矩观测，输出初始转矩Tref1，设定初始转矩增益系数为η，观测的初始转矩Tref1为：

(5-2)

采集速度比较及处理环节输出的速度偏差量Δωr及其幅值|Δωr|，对提升机进行初始转矩扰动量估测，输出初始转矩扰动量Tref2，设定初始转矩扰动量增益系数为λ，估测的初始转矩扰动量Tref2为：

(5-3)

综合初始转矩Tref1及初始转矩扰动量Tref2，输出电磁转矩给定信息量Tref供给电机控制环节：

(5-4)

图9 非线性悬停原理图

6、多CPU多总线协同工作控制器研制

直流双闭环控制需要在较短的采样周期内完成输入输出处理、内外环调节等运算工作，对处理器的运算速度和精度要求较高；大功率直流调速系统在工业应用中处于关键地位，系统可靠性必须有良好的保证。为达到良好的控制和运行效果，本系统采用多板卡多总线结构，如图10所示。

图10 多板卡多总线结构图

系统板卡组成包括：电源管理单元、中央处理单元、脉冲处理单元和辅助处理单元，电源管理单元监控系统中的数字电源和模拟电源的供电情况，对电源故障及时处理并提供短时后备支持。

脉冲处理单元采用“DSP+FPGA+CPLD”设计，如图12所示。主要实现直流母线电压控制、单位功率因数控制、脉冲触发信号及触发信号握手等功能；电枢侧功率变换单元控制器实现DC/DC变换控制、速度跟踪控制、双闭环控制、脉冲触发信号及触发信号握手等功能；磁场侧功率变换单元控制器实现DC/DC变换控制、励磁电流控制、脉冲触发信号等功能。