第２３卷 第ｌ８期 Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．１８ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１５年９月 Ｓｅｏ．２０１５ 交一交变频器控制系统的无环流保护研究 刘国榜 （宝钢梅山钢铁矿业分公司江苏南京２１０ｏ４１） 摘要：梅山铁矿２号主井提升机采用交一交变频矢量控制系统，为更好控制交一交变频器回路中不流经负载的无用电 流，注重交一交变频系统的无环流保护方案，根据环电流的换向逻辑，通过逻辑参数分析和电流断续补偿，使主回路电 流很小甚至断续时，系统都能正常工作。该无环流保护策略在梅山矿业公司２号主井矢量控制系统得到成功运用。 关键词：提升系统；交一交变频器；零电流检测；无环流换向逻辑 中图分类号：，Ｉ＇Ｎ一９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１５）１８—０１６０—０３ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ Ｏｆ ＡＣ—ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｇｕｏ－ｂａｎｇ （ＢａｏｓｔｅｅｌＭｅ，ｈａｒｔＩｒｏｎＭｉｎｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４１。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｎｏ．２ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ ａｄｏｐｔｓ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉＳ ｎｏ ｌｏａｄｅｄ ｕｓｅｌｅｓｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ＡＣ－ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｅｒｆｅｃｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉＳ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓ． ｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｌｏｇｉｃ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｂｏｏｌｅａｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕ— ＯＵＳ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｅｖｅｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｆｉｍａ￣ｌｏｏｐ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｓｍａｌｌ ｅｖｅｎ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ． ｈｅ？ｎｏｎ－ｃｉＴｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｉｎ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｎｏ．２ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ ｉｎ Ｍｅｉｓｈａｎ Ｉｒｏｎ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｆｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ＡＣ－ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｚｅｒｏ；ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ ｌｏｇｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ 随着工业生产技术的逐步提高，变频器使用范围的逐步 加大，处理好变频器系统的谐波干扰成了变频器进一步推广 其线路见图１，在晶闸管阻断期间，电流流过发光二极管使其 发光，光敏晶体管导通，输出高电平。在晶闸管导通期间，输出 低电平。 关键，特别是在对谐波要求高的场所。交一交变频，特别是无 环流交一交变频系统已运用于大容量的电动机调速系统。其 中零电流检测，进行无环流保护是个关键 １。 １ 零电流检测方案、无环流换向逻辑理论及 参数分析 １．１零电流检测 零电流检测环节用于向无环流换向逻辑提供零电流信 图ｌ 晶闸管管压降检测原理电路 Ｆｉｇ．１ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｙｒｉｓｔｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ 号。在直流传动系统中，零电流信号大多通过电流实际值信号 与一个基准值相比较而获得 。这种方法简单，灵敏度低，无环 流“死时”达５ ｍｓ，不能满足交一交变频器的要求。 在晶闸管阻断期间，由于其管压降是交流电压，存在自然 过零点，上述检测方法会在此处误发“有电路”信号。为克服该 新的零电流检测环节基于测量变频器中每个臂的晶闸 管压降，晶闸管导通时管压降为零，关断时管压降不为零，如 果一个桥中６个臂的管压降均不为零，则表示“零”电流状态， 只要有一个臂的管压降等于零，就是“有电流”状态。 由于晶闸管对地电压高，所以用光耦合器测量管压降。 收稿日期：２０１４—１２—０５ １６０－ 缺点，特引入触发脉冲信号，在无触发脉冲的区间出现“有电 流”信号不是真的“有电流” 。 １．２无环流换向逻辑 无环流换向逻辑用于控制正反向两组触发脉冲的释放和 封锁，实现无环流切换。无环流换向逻辑应满足下述要求： １）在电流给定、极性反向后，准备切换。 稿件编号：２０１４１２０４３ 研究方向：电控系统、电力机电。 作者简介：刘国榜（１９６７一），男，江苏南京人，硕士，首席工程师。 —．刘国榜 交一交变频器控制系统的无环流保护研究 ２）在零电流信号出现后，经第一级延时封锁原工作脉冲。 ３）两组脉冲都封锁后，经第二级延时发送待工作脉冲，换 电流给定信号 的极性用极性鉴别器检测，它的特性见 ● ■ 向操作结束。 和直流传动不同，交—交变频器要求无环流“死时”小于２ ｍ８。 无环流“死时”由两级延时造成，我们先讨论在可逆直流 图３，当ｉ。＞＋７０ ｍＶ时，输出Ｉ为高电平，正向组桥工作； 。＜一 ７０ ｍＶ时，输出ＩＩ为高电平，反向组桥工作。在可逆直流传动 ● 系统中， 信号来自速度调节器输出，由于速度调节器动态放 大系数较大，７０ ｍＶ死区所对应的速度偏差很小，对系统性能 传动系统中常用的无环流逻辑的延时时间，然后看如何使它 们缩短。 第一级延时用于可靠的检测零电流，在直流传动系统 中，零电流信号通过比较电流实际值信号和某基准值而获得， 见图２。基准值不能取得太小，否则会引起误动作，因此在零 电流信号出现时电流没断续，如果封锁工作组脉冲，晶闸管无 法阻断。为避免发生这种情况而引入第一级延时，只有零电流 信号持续时间大于整定时间时才封锁工作组脉冲，例如图中 第三个零电流脉冲情况，这时主回路电流一定断续。第一级延 时一般整定为１￣１．５ ｍｓ 。 经第一级延时，无环流换向逻辑发出封锁指令，但有可能 在指令发出瞬间下一个晶闸管已被触发，虽然脉冲已被封锁， 但晶闸管仍导通，要持续到ｂ点才阻断。如果在ａ点发送待工 作组脉冲，会造成电源短路，换向失败，为此需要第二级延时， 待工作组脉冲在第二级延时结束后才发送。第二级延时时间 大于３．３ ｍｓ。因为在电流断续时，每个电流波持续时间小于 ３．３ ｍｓ，延时３．３ ｍ８后原导通的晶闸管肯定已阻断，由于没有 触发脉冲，也不会有新的晶闸管再导通。这时发送待工作组脉 冲不会产生环流。 零电 图２主电路电流及零电流信号 Ｆｉｇ．２ Ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｚｅｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ 上述两级延时加起来，总“死时”约５ｍｓ，这对交一交变频 器来说太长了。要减小“死时”，必须采用前面介绍的光电零电 流检测。光电零电流检测从原理上说不存在零电流信号出现 而主回路电流不是零的情况，两级延时都取消。实际上，为防 止干扰，第一级延时被保留，但减小到Ｏ．３ ｍ８，如果零电流信 号持续时间超过０．３ ｍｓ，则说明它不是干扰信号，而是实际 “零电流”。封锁工作组脉冲，第二级延时也保留，但作用不同， 它主要用来防止在逻辑动作时间里新的晶闸管被触发。在原 工作组封锁后第一阶段时间，若在这段时间里没电流出现，说 明没有新的晶闸管被触发，可以立即发送待工作组脉冲，若在 这段时间里有电流出现．切换过程停止，待电流再次降到零时 重新开始计时。第二级延时约０．７５ ｍｓ，两级总延时为１．１ ｍｓ。 ● 没有什么影响旧。交一交变频器的 信号是连续的正弦信号，死 ● 区使得发出切换指令的时间滞后。为补充这一滞后，引入 的 超前校正环节，见图４。 ］ 厂一 图３极性鉴别器特性 Ｆｉｇ．３ Ｐｏｌａｒｉｔｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ 匿 图４极性鉴别电路 Ｆｉｇ．４ Ｐｄａｒｉｔｙ ｄｉｓｃｒｉｉｍｎａｔｏｒ ． 超前校正环节的传递函数是 ｗ（ｓ 丽 （１） 经验参数： ＝６ ｍｓ， ＝死＝２ ｍｓ，在这些参数下，电流过 零较平滑。 如果ｉ 信号长时间小于７０ ｍＶ，处于极性鉴别的“死区” 范围里，极性鉴别器不能正确判断哪组桥工作、哪组桥不工 作，这时电流调节器的积分部分会漂移，使调节器输出偏离工 作点很远。为克服这一缺点，在交一交变频器的无环流逻辑中 设有“摇摆”控制环节，当ｉ。小于７０ ｍＶ且持续时间大于ｌ０ ｍｓ时，每隔１０ ｍｓ把无环流输出状态翻转一次。加入电流断 续补偿后，在电压、电流给定“。和 。均为零时，电流调节器输 出 暖与变频器输出电流信号ｆ删的关系见图５，设开始点位 于Ａ，由于 Ｏ，电流反馈使电流调节器输出 盘向正方向 运动，经１０ ｍｓ后移至Ｂ点，无环流逻辑翻转，工作点由Ｂ跳 到Ｃ。由于 嘲《Ｏ，电流反馈使ｕｓａ向负方向移动，再过１０ ｍｓ，元环流逻辑又翻回正向租，工作点由Ｄ跳回Ａ，开始下一 循环。电流调节器输出总是在零附近摆动，避免了漂移啊。 ２梅山主井无环流保护策略实施 我矿的交－．交变频矢量控制系统实现无环流关键是其触 发单元，２＃主井触发单元由安装在柜架上的脉冲板（每个整流 桥２块）、两块总线接口板和总线、终端板组成，它通过一根４０ 芯的扁电缆与ＰＨＳＣ通道相连接，因而也可把它看成并行快 速“触发总线”。脉冲放大器和电压测量板通过２０芯的扁电缆 ＿１６１＿ 《电子设计工程）２０１５年第ｌ８期 ＼ｉ 正向组桥工 ～ ３结论 文中重点对梅山２＃主井交一交变频装置的无环流保护 Ｄ 措施进行了研究，同时结合梅山公司２＃主井提升机对交一交 变频控制系统进行了分析和研究，并结合实际情况提出了利 用无环流换向逻辑添加电流补偿的方案。梅山矿业公司主井 反 匈组桥工作 图５ 电流断续时的移相特性及摇摆控制过程 Ｆｉｇ．５ Ｍｏｖｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｈａｋｙ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｕｒｓｅ Ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ Ｎｏ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ 所采用的保护措施经过运行的经验表明，在系统投入运行初 期对谐波及系统的参数进行相应的测试与调整，并确定最优 与脉冲单元相连。脉冲单元有独立的电源，因此，电压测量板 和脉冲放大器与ＰＨＳＣ没有电的联系。触发单元控制一台双 绕组（定子）系统的６相电机（包括励磁）（采用６组三相变流器 组的变频器），使用１４＃脉冲板，一总线接口和总线终端板，共 计有１６块子板。触发单元的主要功能有：１）可控硅触发脉冲 的参数及合适的保护措施。现其谐波指标符合电网的要求，并 确保系统的稳定、经济运行。 参考文献： 【１】杨万华．使用变频器应注意的问题［Ｊ］．机电一体化，２００６ （２）：７９－８０． ＹＡＮＧ Ｗａｎ－ｈｕａ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 与整流主电压（电源电压）的同步；２）电源和相序的监控；３）脉 冲的宽度及触发时刻；４）在电机零电流时，控制可控硅元件 ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２００６（２）：７９－８０． 【２】朱仁初，万伯任．电力拖动控制系统设计手册【Ｍ】．｜ｂ京：机 械工业出版社，１９９２． 『３１ Ｃａ￣ａｒａ Ｇ．Ａ ｎｅｗ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ＰＷＭ ｍｅｔｈｏｄ：ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌ— 换相，并监控换相情况；５）通过测量可控硅的截止电压确定 是否零电流，零电流信号用于电流的换相逻辑。 因此，该系统的触发单元仅产生与主电源同步的触发脉 冲，而脉冲的移相由ＰＨＳＣ控制器进行计算。触发单元内各点 的参数及故障信号均通过同一总线送到ＰＨＳＣ，通过“相位同步 环”得到与主电源同步的同步信号，因此确保触发角是十分精 确的，和主电路的振荡、噪声、干扰、脉动无关。在一个“触发周 期”内，由触发脉冲来控制需要工作的可控硅导通。这种方法就 ｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ，１９９９，７（１）：８７－９６． ［４】常东来。苏彦民．全数字化三相交一交变频器控制方法的 研究［Ｊ】．电力电子技术，１９９９（１）：３２－３４． ＣＨＡＮＧ Ｄｏｎｇ－ｌａｉ．ＳＵ Ｙａｎ－ｍｉｎｇ．Ｆｕｌｌｙ ｄｉｓｔｌ ｔａｈｒｅｅ ｉｎｔｅｒ－ ｓｅｃｔｉｎｇ ｏｎｅ ｈａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ 能保证即使主回路电流很小甚至断续时，系统都能正常工作。 在出现故障时，通常封锁脉冲来切断主回路。如果在脉 冲单元内出现故障，则脉冲立即被封锁，其故障信号被传送到 ＰＨＳＣ控制器。为了使系统能获得电流快速换向的性能，必须 ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９ （１）：３２－３４． 【５】寿海明，林桦，苏伟．基于ＣＰＬＤ的十二相交一交变频器的 全数字设计［Ｊ］．电气传动自动化，２００６，２８（１）：３９－４２． ＳＨＯＵ Ｈａｉ－ｒｕｉｎｇ，ＬＩＮ Ｙｅ，ＳＵ Ｗｅｉ．Ｔｗｅｌｖｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔ—ａｌｔｅｒ— 检测每一只可控硅两端的阻断电压，并把阻断信号通过光耦 传送到触发单元。对于电流换向逻辑而言，这是唯一可靠、快 速检测零电流的方法。因此，保证可控硅在最短的时间内，快 速、可靠地进行换流所需的精确的延时时间，由可控硅的“恢 复时间”所决定。一般情况下，电机定子内的正弦电流过零点 的时间约为１ ｍｓ，所以实际应用中对延时时间的设定必须高 度重视，经过反复实践表明我矿的参数设１．１５ ｍｓ取得比较 理想的效果。 （上接第１５９页） ｎａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｎｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＰＬＤ ｄｉｇｉｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］， Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｄｒｉｖｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２００６，２８（１）：３９—４２． 【６】电力电子设备设计和应用手册［Ｍ】．北京：机械工业出版社， １９９０． ［７】Ｂａｙｅｒ Ｋ Ｈ．Ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｌｏｓｅ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｓｙｎ・ ｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｗｉｈｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｒａｎｓｖｅｋｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］． Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｒｅｖｉｅｗ，１９７２，４（３９）：５６－７０． 【３】杜诗雨，王子源．Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋操作Ｅｘｃｅｌ的应用研究Ｕ】． ［５】刘杰，王慧．组态王与单片机多机串口通信的设计［Ｊ］．电子 计算机与现代化，２０１１．０８（１９２）：２０１－２０６． ＤＵ Ｓｈｉ—ｙｕ。ＷＡＮＧ Ｚｉ－ｙｕａｎ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｘｃｅｌ 设计工程，２０ｏ９，１７（７）：７－１１．［Ｊ］． ＵＵ Ｊｉｅ。ＷＡＮＧ Ｈｕｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎ ＶＣ＋＋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ】．Ｊｉｓｕａｎｊｉ ｙｕ ｘｉａｎｄａｉｈｕａ，２０１ １，０８ ｍｕｌｔｉ－ＳＣＭ ａｎｄ Ｋｉｎｇｖｉｅｗ ｂｙ ｓｅｒｉａｌ ｐｏＲｓ［Ｊ】．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ （１ ９２）：２Ｏ１—２０６．［４］宋晶，沈兴全，赵润鹏．基于组态王的ＰＣ机与单片机串口 通信技术研究［Ｊ】．化工自动化及仪表，２０１ｌ，３８￣）：５５１－５５３． ＳＯＮＧ Ｊｉｎｇ，ＳＨＥＮ Ｘｉｎｇ－ｑｕａｒｔ，ＺＨＡＯ Ｒｕｎ－ｐｅｎｇ， Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２ｏｏ９，ｌ ７（７）：７－１ ｌ， ［６】江世明，刘湘涛．基于单片机的智能电话控制系统的研制 叨．船电技术，２００６，２：６０－６３． ＪＩＡＮＧ Ｓｈｉ－ｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｘｉａｎｇ－ｔａｏ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ＫｉｎｇＶｉｅｗ－ｂａｓｅｄ Ｐｃ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］． Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，２０１ ｌ，３８（５）： ５５１－５５３． 一ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｈｏｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ［Ｊ】． Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００６，２：６０－６３ １６２－