西门子控制系统在NTE260运矿车上的应用李伟--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

西门子控制系统在NTE260运矿车上的应用李伟

发表时间：2020/9/1 来源：《论证与研究》2020年7期作者：李伟

[导读] 摘要：本文介绍一种新型交流型运矿汽车的控制系统及其驱动的基本原理。关键词：IGBT；变频调速；ELFA

                                                                     李伟
                              （包钢白云鄂博铁矿矿山设备检修公司内蒙古包头 014080）
        摘要：本文介绍一种新型交流型运矿汽车的控制系统及其驱动的基本原理。
        关键词：IGBT；变频调速；ELFA
        0引言
        白云铁矿是包钢的主要原料基地，其矿石的拉运主要依靠运矿汽车完成。近年，白云铁矿新引进的NTE260为IGBT风冷方式、变频调速、带ELFA驱动的交流型运矿汽车，是矿内最先进、载重量最大的运矿设备。
        1变频调速原理
        变频装置是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频装置主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
        2系统概述
        NTE260运矿汽车工作原理为：交流发电机与发动机相连，在发动机的带动下将发动机的机械能转化为交流电能。交流发电机的绕组由两个单独的主绕组和一个辅助绕组组成，交流发电机与旋转的发动机的联结时，利用磁场相互作用产生三组交流电压。两个主绕组电压经主整流器整流后变为直流电，再经过紧凑型逆变器TBK逆变为交流后驱动后桥的两个轮马达（交流牵引电机）；辅助绕组电压经辅助整流器整流后作为ELFA控制模块（ELFA控制模块有两个分别为ELFA A063和ELFA A062）的输入电源使用，直流电经过ELFA A063模块逆变为交流电驱动制动电阻冷却风机，经过ELFA A062模块逆变为交流电驱动电气柜冷却风机和后桥冷却风机。
        3控制系统主要组成和原理
        3.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
        绝缘栅双极晶体管简称为IGBT，它集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，广泛用于变频器和其他调速电路和中。
        3.1.1IGBT的结构原理
        IGBT的结构剖面图如下图1所示。它是在MOSFET的基础上增加一个P+层发射极，形成PN结J1，由此引出漏极。门极和源极完全与MOSFET相似。由结构图2可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其等效电路及图形符号见下图3所示。

        图1 IGBT结构剖面图              图2 IGBT图形符号            图3 IGBT等效电路

   3.1.2 IGBT的驱动电路
        IGBT的输入特性是MOSFET管的特性，所以，适用于MOSFET管的驱动电路均可应用。IGBT的驱动形式多种多样，各自功能也不相同，从隔离方式可分为两类：一类是光电隔离驱劝，另一类是脉冲变压器隔离驱动。
      （1）分立元件驱动电路。用脉冲变压器隔离，通过二极管整流后直接驱动IGBT管，通过光电隔离器隔离，因光电信号较弱，后面再加一级放大器，把驱动信号加以放大，再驱动IGBT。
      （2）集成模块驱动电路。IGBT的驱动电路和除分立元件以外，常用的还有集成驱动电路。如EXB840/841系列集成驱动模块，具有可靠性高、体积小、驱动速度高等特点。
        3.2 紧凑型逆变器TBK
        紧凑型逆变器用来控制后桥牵引电机，其中包括1个直流电容器、1个逆变器控制单元、2个斩波器、2个电压传感器以及4个电流传感器和3个温度传感器。
        逆变器控制单元由DC±24V电压供电，控制单元上包括：CAN通讯接口、逆变器电控柜内温度监控、牵引电机速度监控、RS232接口、电压电流监测、TBK编码插头和公共接口等。
        3.3 SIBAS 32（牵引控制装置 TCU）
        SIBAS 是由德国西门子生产开发的符合严格要求的牵引驱动系统，并且由西门子公司将其应用到托运汽车、挖掘机和铲车等方面，是根据操作员的指令来控制车的牵引电机推进和减速运行的系统。它还与卡车 OEM系统一起显示仪表和警示灯的系统信息，并为电源部分提供保护。它由5台电源： +5V，±15V，±24V、1个中央处理器卡、2个带有ACAN_ELFA卡的EM1载体、3个输入转换器二进制卡、3个二进制输出卡、1个电源启动卡、2个输入/输出模拟卡、2个多功能输入/输出卡、1个温度输入PT100卡，利用软件SIBAS G与之通讯。
        中央处理器卡的主要功能是卡车的功能控制，实现CAN与TBK之间的通讯、显示程序运行状态、对SIBAS的复位功能、模式选择等。
        带有ACAN_ELFA卡的EM1载体有两，分别是C047和C055。C047的功能是：配置CAN的模式使中央处理器能够通过ACAN_ELFA卡与外部CAN总线进行通讯，可连接至ELFA模块A063与A062；C055的功能与C047相同，可连接至用户控制单元。
        温度输入PT100卡的作用是：采集两个牵引电机定子和轴承的温度、采集交流发电机定子和轴承的温度。
        输入/输出模拟卡的功能是：通过电阻器提供10V电压作为供应减速和节流阀踏板的+5V电压、读入减速和节流阀输入信号、读入倾斜计输出信号、在内部负载电阻器两侧读取接地故障电压传感器输入、电池电压监视。
        多功能输入/输出卡的主要功能是：作为诊断面板上电压和电流测试的输出、作为倾斜计和发动机速度传感器的+15V电源等。
        3.4 ELFA模块
        ELFA模块标记为A062和A063。ELFA A063用来控制制动电阻箱风机，电机ELFA A062用来控制主风机电机。如图4所示，右上端P1、P2和M1、M2为直流输入端，经逆变器逆变为由L1、L2、L4输出的三相交流电；L4供斩波器用，在这里不使用。ELFA内置电流传感器，对输出的每相进行电流检测，把检测结果送至ELFA控制器进行运算，分析。ELFA控制器外置CAN接口进行CAN通讯，模拟量输入作为速度控制参考输入，数字量输入作为IGBT使能信号输入。

图4 ELFA模块原理图

        4发动机控制
        发动机的转速是由SIBAS控制系统控制的；油门踏板对发动机是没有直接输入的；发动机计算机保护发动机的Min/Max；SIBAS控制系统不能关闭发动机或阻止发动机启动。
        5结束语
        通过近年来NTE260运矿汽车在我矿的使用情况来看，西门子控制系统运行安全、可靠、稳定。与矿内其他车型比较，NTE260故障率低、出车率高、拉运量大，其设计符合我矿大车司机的操作习惯，操作起来易上手且运行更安全。
        参考文献：
         [1]西门子MMT260tIGBT风冷，带ELFA驱动的交流矿用自卸车介绍.2011.