一种驱动螺旋钻机的专用高压变频器.pdf

研究与设计lE №A 一种驱动螺旋钻机的专用高压变频器 白照昊1 ，王绪宝2 1 ．卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳4 7 3 0 0 8 ； 2 ．卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司，辽宁鞍山1 1 4 0 1 8 摘要针对开采薄煤层、延长矿井的使用寿命、提高煤炭资源利用率，螺旋钻进式采煤机提供了良好、 有效的选择。为螺旋钻机系统设计了防护等级为I P 5 6 的l6 0 0k W ／3 ．3k V 变频器。该变频器采用1 8 脉波移 相整流的移相变压器，实现电网侧无谐波干扰。拓扑结构上采用多电平功率单元串联技术，输出1 3 电平，正 弦度高，d u ／d t 小，不会损伤电缆和电机绝缘。变频器移相变压器和功率单元均采用水冷散热方式，实现高效、 可靠的散热。变频器性能上满足螺旋钻进式采煤机的3 倍起动转矩、急加速、急减速等特殊工况要求，并预留 远程通信接口，方便用户进行信号控制与数据采集。 关键词高压变频器；螺旋钻机；薄煤层；I P 5 6 防护等级；矢量控制 中图分类号T M9 2 1 ．5 1 ；T D4 2 1 ．6 3 文献标志码A 文章编号1 6 7 3 ．6 5 4 0 2 0 2 0 0 3 ．0 0 6 3 - 0 6 d o i 1 0 ．1 2 1 7 7 ／e m c a ．2 0 1 9 ．1 7 8 AS p e c i a lH i g h - V o l t a g eI n v e r t e rf o rD r i v i n gS c r e wD r i l l s B A IZ h a o h a o L ．W A N GX u b a 0 1 1 ．W o l o n gE l e c t r i cN a n y a n gE x p l o s i o nP r o t e c t i o nG r o u pC o ．，L t d ．，N a n y a n g4 7 3 0 0 8 ； 2 ．W o l o n gE l e c t r i cL i a o n i n gR o n g x i nE l e c t r i cD r i v eC o ．，L t d ．，A n s h a n11 4 0 1 8 A b s t r a c t F o rt h em i n i n go ft h i nc o a ls e a m s ，p r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo fm i n e s ，a n di m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o n r a t eo fc o a lr e s o u r c e s ．s c r e w - d r i l l i n gs h e a r e r sp r o v i d eag o o da n de f f e c t i v ec h o i c e ．T h e16 0 0k W ／3 ．3k Vi n v e r t e ri s d e s i g n e df o rt h es c r e w - d r i l l i n gs h e a r e r ss y s t e ma n dt h ep r o t e c t i o nl e v e li sI P 5 6 ．T h ei n v e r t e ru s e s ap h a s e s h i f t i n g t r a n s f o r m e rw i t h1 8 - p u l s ep h a s e - s h i f t i n gr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v en oh a r m o n i ci n t e r f e r e n c eo nt h eg r i ds i d e ． T h em u l t i - l e v e lp o w e ru n i ts e r i e st e c h n o l o g yi su s e df o rt h et o p o l o g y ，l e a d i n gt ot h e1 3 - l e v e lo u t p u tw i t hg o o ds i n e d e g r e ea n ds m a l ld u ／d tv a l u e ，w h i c hw i l ln o td a m a g et h ec a b l ea n dm o t o ri n s u l a t i o n ．T h ei n v e r t e rp h a s e s h i f t i n g t r a n s f o r m e ra n dp o w e ru n i tb o t hu s ew a t e rc o o l i n gh e a td i s s i p a t i o n ，w h i c hh a sh i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ．T h e p e r f o r m a n c eo f t h ei n v e r t e rm e e t st h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n ss u c ha st h r e et i m e st h es t a r t i n gt o r q u e ，r a p i d a c c e l e r a t i o n ，a n dr a p i dd e c e l e r a t i o no ft h es c r e w - d r i l l i n gs h e a r e r ．F u r t h e r m o r e ，ar e m o t ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei s r e s e r v e dt of a c i l i t a t eu s e r ’ss i g n a lc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ． K e yw o r d s h i g h - v o l t a g ei n v e r t e r ；s c r e wd r i l l ；t h i nc o a ls e a m ；I P 5 6p r o t e c t i o ng r a d e ；v e c m rc o n t r o l o 弓1 言 蓁藉筹篙’、瓣蚕} 馨詈羹芸 在煤炭行业中，由于煤炭资源的持续开采，I I非常丰富的薄煤层储量，而且薄煤层实际的赋存 内外许多矿井已经进人枯竭期。因此，延长这些情况比较复杂。中国的煤炭资源在经过多年的生 矿井的寿命，提高煤炭资源利用率，有着深远的经产开采之后，许多矿井中厚煤层达到了枯竭的边 收稿1 3 期2 0 1 9 - 1 2 - 1 7 ；收到修改稿日期2 0 2 0 0 2 - 1 4 作者简介白照昊 1 9 6 2 一 ，男，硕士，高级工程师，研究方向为电机和驱动控制产品设计、制造与管理。 王绪宝 1 9 8 2 一 ，男，硕士，高级工程师，研究方向电力电子和电气传动。 一6 3 万方数据 研究与设计lE M C A电札与拄制应闭2 0 2 0 ，4 7 3 缘。在这种情形下，薄煤层的开采成为煤矿开采 的一种主要发展趋势。对开采薄煤层的采煤应用 技术进行研究，提高薄煤层的开采水平，将有助于 促进煤炭开采行业的进一步发展。 螺旋钻进式采煤机是一种特点鲜明的薄煤层 采煤设备，具有以下特点 1 提高了薄煤层的生 产效率和经济效益，用人少，设备少，改善了工作 环境，降低了劳动强度； 2 提高了矿井的安全生 产程度，工作人员不需进入采煤工作面，实现了无 人工作面采煤，杜绝了工作面的顶板事故。传统 螺旋钻进式采煤机使用柴油发电机直接驱动，但 随着人们对电源谐波的重视以及对设备使用寿 命、性能和操作灵活性需求的提高，变频驱动螺旋 钻机成为进一步研究的重点。 高压变频器广泛用于煤炭、冶金、电力、建材、 石油、化工、造纸、给排水等行业，对提高生产效 率、节能降耗具有重要意义。本文介绍的 16 0 0k W ／3 ．3k V 变频器专为螺旋钻机系统设计， 可满足螺旋钻进式采煤机的3 倍起动转矩、急加 速、急减速等特殊工况要求。钻机变频器1 1k V 电源输入，3 ．3k V 变频输出。拓扑结构上采用多 电平功率单元串联技术，输出线电压电平数高达 1 3 电平，正弦度高，d u l d t 小，可远距离驱动电机， 对电缆及电机绝缘没有损害。整个钻机变频器系 统采用高效、可靠的水冷散热方式。同时，钻机变 频器还具备对输入、输出及变频器本体进行全面 的故障报警、保护及监测的功能。 1系统组成 钻机变频器由高压开关柜、移相变压器柜、功 率单元柜、主控系统柜、水冷系统柜等组成。钻机 变频器整机如图1 所示。 图1 钻机变频器整机 图2 所示为钻机变频系统主回路拓扑结构。 一6 4 一 其中，移相变压器使用1 8 脉波移相整流技术，实 现电网侧无谐波干扰，为高效率变压器；同时，将 1 1k V 高压变换为9 组6 9 0V 低压，为9 个功率单 元独立供电，各组6 9 0V 间使用整流移相技术，起 到降压、隔离及消谐波作用。 移相变压器9 个功率单元 三相交流v 电源输入l 凡 凡 凡 y y 、一 三相异步电动机 图2 钻机变频系统主回路拓扑结构 功率单元采用串联叠加技术，每相使用3 个 单元串联组成一相，直接输出3 ．3k V 高压。每个 功率单元接收主控机的正弦调制波，通过自身的 载波移相后产生脉宽调制 P W M 输出波形，各单 元输出电压波形相互叠加形成正弦包络，使变频 器输出波形基本与工频电压正弦波形相近，无需 输出滤波器，对电机无谐波干扰。输出d u ／d t 小， 对电机及电缆绝缘无损伤，适用于普通电机和电 缆，同时可实现电机长距离供电。 1 ．1 高压开关柜 高压开关柜包含高压断路器、控制变压器、综 合保护器和显示单元，为变频器提供主回路电源 和控制电源，同时对输人侧电源有多种保护功能。 1 ．2 水冷移相变压器 移相变压器柜是钻机变频器的供电中心。变 压器柜包含高压多绕组水冷移相变压器、充电接 触器、旁路接触器和充电电阻。水冷移相变压器 是钻机变频器的关键部件之一。每个功率单元分 别由变压器的一组二次绕组供电，移相变压器的 一次侧为三相A C1 1k V ，二次侧输出9 路三相 A C6 9 0V ，为9 个功率单元供电，通过移相变压器 的电气隔离作用使各个功率单元相互独立，从而 实现电压叠加串联，具有极高的可靠性和安全性。 三相移相叠加的整流方式大大改善了网侧的电流 波形，有效提高了网侧的功率因数。移相变压器 万方数据 电札西控制应同2 0 2 0 ，4 7 3 研究与设i , - t 4E M C A 散热方式采用水冷散热，散热效率高、安全、稳定。 水冷移相变压器的冷却水系统由冷却水进出水主 管路、进出水支路管路及水冷接头组成，布置在变 压器的一侧。水冷移相变压器有其固有优势 1 水冷板的设置有利于变压器绕组和铁心冷却 散热，散热性能好，冷却效率高； 2 绕组绕线合 理，耐热强度高，能够在恶劣环境中使用； 3 冷 却水系统集中布置在变压器同一侧，方便进出水 管路对接，安装维护方便。 1 ．3I P 5 6 整机结构 由于钻机变频器用于露天煤矿开采使用，必 须防止沙尘、雨水等对钻机变频器正常运行产生 影响，故将变频器设计为I P 5 6 防护等级。共分为 输入高压开关柜、变压器柜、控制柜共3 部分。3 个柜体之间采用法兰拼接互联。每个法兰盘结构 分为2 个圆形对接式法兰和两层密封垫，两层密 封垫提供双重保护。法兰式I P 5 6 连接结构如 图3 所示。 图3 法兰式I P 5 6 连接结构 玛 骊] I P 5 6 防护主要涉及防尘与防水。防尘方面 在粉尘密度为2k g ／m 3 的环境下持续8h ，设备内 部无粉尘进入。防水方面使用喷嘴喷水口内径 为1 2 ．5m m 的管路，使试验样品至喷水口相距 2 ．5 ～3 ．0m ，水流量为1 0 0L ／m i n ，试验时间按被检 样品外壳表面积计算 不包括安装面积 ，不足 3m 2 则试验最少3m i n ，超过3m 2 则每平方米 1m i n ；试验完成后，设备内部无水滴进入。 1 ．4 功率单元 功率单元是变频器的主体部分，电能的转换 在这里完成，输出电压的幅值和频率也在这里 实现。功率单元主要由功率部件和单元板2 部 分组成。功率部件主要包括I G B T 模块、整流模 块、电容器、电阻器和熔断器等。电网能量从移 相变压器二次侧经由整流模块流人功率单元， 经由I G B T 模块流出，实现交．一直一交变换，最终 为负载提供优质高效的能量供给。钻机变频器 共9 个功率单元，所有单元完全相同，可以任意 互换；每个功率单元为三相A C6 9 0V 输入、单相 h E0 ～6 9 0V 输出的单相变频器。单元板负责 与控制板卡进行信息交换，采用光通信方式，具 有通信容量大、传输距离远、抗干扰能力强等特 点。单元板不仅能够较好地完成I G B T 驱动控 制工作，同时还集成了过流、过压、欠压、超温等 多种保护功能，从而达到高效、安全、低能耗、低 故障的目的。图4 和图5 分别为功率单元拓扑 结构和实物图。 输入 ⋯ p E } 。f 囊 图4 功率单元拓扑结构 输出 图5 功率单元实物图 1 ．5 控制系统 控制系统是钻机变频器的核心构成，全部控 制指令均由其下发。 操作界面采用触摸式液晶屏，实现人机交互， 界面友好易操作，能够实时显示钻机变频器的工 作状态。主控板根据收集来的各项数据和预先设 置好的参数进行高速数据处理。主控板与功率单 元板间通过光通信进行数据收集，从而了解每台 功率单元的工作状态。主控板根据收集的信息制 定最优方案，通过光通信下达至功率单元，从而调 整每个功率单元的工作状态，以达到最佳的控制 效果。同时，主控板还会将必要的数据通过模拟 口和数字口送至控制装置外部。P L C 系统主要用 于外围电路控制和远程通信。 万方数据 研究与设计lE M C A迫积．与控制应用2 0 2 0 ，4 7 3 1 ．6 水冷系统 钻机变频器腔体内的水冷系统为内水循环系 统，由主泵、管路、传感器及以P L C 为核心的电控 系统组成。内水循环将热量带到水．水换热器，再 由外水将热量交换到腔体外部，从而达到散热目 的。控制温升是保证变频器正常运行的关键。 2 控制系统设计 2 ．1 硬件设计 钻机变频器主控板外观如图6 所示，采用某 公司独立研发设计的硬件板卡。主控板主要负责 控制算法运行、数字量和模拟量信号处理、数据传 输和数据交换、故障处理等。该板卡包括模拟量 输人接口、数字量输入接口、数字量输出接口、低 速光纤接口、高速光纤接口、光纤扩展接口等。主 控芯片采用A D I 公司的S H A R CA D S P ．2 1 4 8 9 型 号的数字信号处理器 D S P ，具有高达4 5 0M H z 的最高工作频率，特别适合工业控制领域的需求。 除了强大的内核性能外，A D S P ．2 1 4 8 9 还包括其他 处理模块，如有限冲激响应 F I R 滤波器、无限冲 激响应 I I R 滤波器和快速傅里叶变换 F F r l l 加 速器，可进一步提高系统的整体性能。 图6 钻机变频器主控板外观 钻机变频器使用触摸屏作为人机交互设备。 该触摸显示屏硬件平台成熟，软件基于微软 W i n C E 嵌入式操作系统开发，再结合该公司多年 研发、应用此类触摸屏的丰富经验，使得该人机交 互设备具有运行稳定、控制显示功能全面、界面友 好等突出优点。 触摸屏在整个变频系统中处于输入、输出数 据交换核心地位。在设备使用过程中，触摸屏接 收外界输人的操作命令，并传输给控制器，控制设 备的运行状态；同时，实时地从控制器获取设备的 运行状态、故障状态等信息，通过人机界面显示给 外界。 2 ．2 控制算法 目前交．直．交高压变频器的控制方式主要采 用W 开环控制“ J 。这种控制方法简单易实现， 在一些对动态响应要求不高的场合被广泛使用。 但是它具有明显的缺点，如电动机起动转矩低、起 动电流大、易产生无功电流振荡、动态响应速度低 等。因此，v ／f 开环控制的应用具有很大的局限 性。矢量控制可以实现大转矩起动，并大幅改善 系统运行的动态响应速度，提高系统的稳定性。 矢量变换控制的基本思路，是以产生同样的 旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流与在旋 转坐标系上的正交绕组直流电流之间的等效关 系。钻机变频器主控程序采用无编码器的转子磁 场定向矢量控制算法，实现对定子电流励磁分量 和转矩分量的解耦，可像直流他励电机一样对二 者分别进行控制，从而获得理想的静态特性和动 态特性‘6 。。 图7 为异步电机矢量控制算法框图。采用转 子磁场定向矢量控制，将异步电机在三相坐标系 图7 异步电机矢量控制算法框图 万方数据 电椒一再槛◆J 应用2 0 2 0 ，4 7 3 研究与设计1 日№ 下的定子电流，I 、，b 、L 通过3 s 越r 坐标变换，等效 成同步旋转坐标系下的直流电流L 、，口 厶相当于 直流电动机的励磁电流，，d 相当于与转矩成正比 的转矩电流 ，从而实现电流的解耦控制，达到分 别控制异步电机励磁电流和转矩电流的目的。 转速估算采用模型参考自适应算法【7 曲】。将 不含待辨识参数的电压模型作为参考模型，将含 有待辨识参数的电流模型作为可调模型，并通过 合适的自适应律来调节可调模型参数，以达到控 制对象的输出跟踪参考模型的目的。该方法受电 机参数影响小，具有较好的鲁棒性，实用性强。 图8 为模型参考自适应算法估算转速示意图。 甜蛆 ％ k ～ 图8 模型参考自适应算法估算转速示意图 3 软件仿真 使用M A T L A B ／S i m u l i n k 软件对钻机系统的拓 扑结构和控制算法进行仿真验证。搭建仿真模型， 主要包括电源模块、移相变压器模块、单元级联模 块、电机模块与矢量控制模块。图9 所示为钻机变 频器系统仿真模型。仿真条件如表1 所示。 负载 越当勤j 日 电源移相变压器趔拿 三耜星垄阜机 额定转速 模块 l 转速卜坷 ‘一l 筐T , - 2 x 到1 0- ‘s l 1 ≥，，L _ 凉席厂q u 甜 转速、角度估算 图9 钻机变频器系统仿真模型 电机转速波形如图1 0 所示。由图1 0 可见， 变频器采用矢量控制算法，电机转速上升和稳态 阶段波形平滑，波动极小。 表2 为变频器拖动电机满载时输出电流F F r 衰1 仿真条件 参数名称参数值 仿真步长／妒 载波频置g ／k H z 电机功率／k w 负载类型 仿真系统数据显示 2 1 ．5 l5 0 0 满载 标幺值 图1 0 电机转速波形 分析结果。经M A T L A B 软件分析得出，总谐波畸 变 T H D 为2 ．3 1 ％，不会对输出电缆和电机绝缘 造成损坏。由此证明了仿真模型搭建的正确性和 控制算法的优越性。 襄2 变频器输出电流耶T 分析 谐波次数谐波含t ／9 6谐波次数谐波含t t ／9 6 4 试验结果 4 ．1 电抗器试验 钻机系统的特殊工况要求变频器与电机的起 动转矩为额定转矩的3 倍，且需频繁起动。因此， 首先对变频器进行3 倍过流试验。变频器输出接 三相电抗器作为负载，通过变频器v ／f 分离控制， 变频器输出频率固定为5 0H z ，逐渐增加变频器 输出电压，直至输出电流达到9 0 0A 。变频器输 出电压、电流波形如图1 1 、图1 2 所示。 4 ．2 ．电机试验 加载试验平台采用2 x 20 0 0k W 同轴异步机 一6 7 一 i 2 1 ，l l o o 5 ∞吣。耋|∞o删o㈦H2№“培垮∞扒趁∞M笛 C J J 峄1 ， i l ，‘ 4 C J 丘0 O O O O O O D 3 D i吣吣㈣们咖吣。吣o㈨ 2 3 4 5 6 7 8 9 m 屹B 万方数据 研究与设计lE 确擒 连 o o - S 昌害 电流波形平稳、波动小。 t ／ 1 0m s ／格1 图1 1 变频器输出线电压u 。b 试验P T 低压侧 波形 t l 1 0 m s ／格 图1 2 变频器输出3 倍额定电流，B 、，b 、，e 波形 组，加载设备为高压四象限变频器，可将能量回馈 至电网。四象限变频器参数如表3 所示。异步电 机参数如表4 所示。 表3 四象限变频器参数 参数名称参数值 5 结语 本文针对薄煤层开采需求，研发了I6 0 0k W ／ 3 ．3k V 大功率钻机变频器。仿真和试验表明，该 变频器具有输入输出谐波含量低、控制系统灵活、 损耗低、可靠性高等优点。与传统产品相比，该变 频器还有几个方面的创新 1 树脂浇筑式大容 量水冷移相变压器； 2 法兰拼接式I P 5 6 防护等 级； 3 大起动转矩的矢量控制算法。 所研发的螺旋钻机用变频器为某公司首台 I P 5 6 结构变频器，既可作为今后定制类特种变频 器市场的技术储备，又为特种产品开发及应用积 累了宝贵的经验。当前中国正处于高端制造业核 心竞争力提升、从工业大国向工业强国转变的重 要时期，该类产品的研发也有着重要的经济和社 会意义。 【参考文献】 [ 2 ] [ 3 ] 参数名称参数值参数名称参数值[ 4 ] 将变频器的运行方式改为矢量控制模式。因 为试验条件受变频器输出电压和电机额定电流限 制，所以最终变频器输出电压为3 ．3k V ，输出电流 为2 4 0A 。如图1 3 所示，变频器拖动电机运行的 一⋯二。～■ 理 d ■ ￡p ⋯一一， 一一 “ ，／ 2 0m s ／格 图1 3 变频器矢量控制拖动电机运行电流波形 一6 8 一 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 刘广勇，宋光华，韩业锋．螺旋钻进式采煤机国内外 应用差异研究[ J ] ．煤矿机械，2 0 1 5 ，3 6 3 2 0 2 ． 黄星源，胡光军，黎卫兵．螺旋钻式采煤机在极薄煤 层开采中的应用研究[ J ] ．煤炭与化工，2 0 1 3 ，3 6 7 8 9 ． 徐宗林．螺旋钻采煤机在薄煤层开采中的应用实践 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 7 ，3 5 3 3 1 ． 董涛．我国薄煤层采煤工艺现状及发展趋势[ J ] ．煤 矿安全，2 0 1 2 ，4 3 5 1 4 7 ． 陈家鑫，张团善，何文莉，等．基于恒压频比的交流 异步电机调速研究[ J ] ．西安工程大学学报，2 0 1 6 ， 3 0 6 7 9 1 ． 陈伯时．电力拖动自动控制系统运动控制系统 [ M ] ．4 版．北京机械工业出版社，2 0 0 4 ． 陈伟，瞿文龙，陆海峰．一种基于M R A S 的异步电 机速度辨识方法[ J ] ．电工电能新技术，2 0 0 6 ，2 5 2 5 2 ． K I MYR ，S U LSK ，P A R KMH ．S p e e ds e n s o r l e s s v e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o ru s i n ge x t e n d e d K a l m a nf i l t e r [ J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ，1 9 9 4 ，3 0 5 1 2 2 5 ． 徐中领．基于D S P 的交流异步电动机无传感器矢 量控制系统的研究[ D ] ．南京南京航空航天大学， 2 0 0 7 ． 万方数据