本文针对吊斗铲的变频系统的 AFE 单元、逆变单元、中间单元以及控制单元进行分析。大家在相关论文写作时，可以参考这篇题目为“吊斗铲电机交直交变频技术原理探究”的电气工程论文。
原标题：吊斗铲变频系统和提升回拉电机工作原理
摘要：吊斗铲是由比塞洛斯国际公司生产的世界一流矿山挖掘设备，它采用了无齿轮传动和迈步式行走机构，并且使用了两台功率很大的同步电机作为拖动系统，电机驱动采用了西门子的交直交变频技术。下面针对吊斗铲的变频系统的 AFE 单元、逆变单元、中间单元以及控制单元进行分析。
关键词：吊斗铲；同步电动机；变频技术；AFE;逆变
1 变频系统
吊斗铲变频系统由 AFE 系统、中间单元、逆变单元和控制单元组成。
1.1 AFE 系统
AFE 是 Active Front End 的缩写，译为主动前端。从结构上看，采用了 IGBT 功率元件，它相当于一个逆变器，不同的是输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。其主动的含义在于，与传统的二极管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。
AFE 是 PWM 整流器，其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于 1.
1.1.1 AFE 系统的优点
（1）有源可控的 IGBT.
（2）AFE 整流时，电流谐波含量小，其大小不受电网质量或负载轻重影响，故电网侧电流比较小且无电网污染。
（3）电流可以实现双向流动，并且不需要制动单元，负载可以在四象限运行，实现能量回馈，提高能源效率。
（4）而且不受电网波动的影响，直流电压保持稳定，具有卓越的动态特性。
（5）允许电网电压的波动范围宽，使 AFE 可以安全运行在 65%的电源额定电压范围内。
（6）AFE 可以将弱电网上的低电压相应提高，故允许电源电压低于电机电压。
（7）功率因数可调，可进行无功补偿，功率因数接近于 1.
1.1.2 AFE 系统的组成
AFE 单元由 AFE 电抗器、AFE 预充电回路和 AFE （整流 / 回馈）单元组成。
（1）AFE 电抗器
吊斗铲 AFE 电抗器采用的是 750μH 的电感，它的输入侧电压是 900VAC.AFE 能量回馈系统中，AFE 电抗器是至关重要的，因为它不仅影响到电流环节的动、静态响应，同时制约着 AFE 的输出功率、功率因数。AFE 电抗器在电路中起到如下作用：
a.隔离电网电势与 AFE 交流侧电压，通过对 AFE 交流侧电压（电流）的相位、幅值进行 PWM 控制，可实现 AFE 的四象限运行。
b.滤波作用。它可以滤除电网侧交流侧谐波电流，实现 AFE 交流侧正弦波电流控制。
c.可以使 AFE 具有升压特性。
d.使 AFE 系统具有一定的阻尼特性，使系统稳定工作，同时还能够向 AFE 网侧传送无功功率。
e.回馈电压通过电抗器融入电网。
（2）AFE 预充电回路
a.预充电回路的作用。
直流母线电容在接通一瞬间相当于短路，充电电流非常大，可能损害 AFE、直流母线和电容。所以为了避免强电流对 AFE、直流母线和电容的冲击，必须增加预充电过程。同时在预充电回路中必须串入限流电阻，限制直流母线电容的冲击电流。
b.吊斗铲 AFE 预充电回路的组成。
吊斗铲预充电回路是由 2 组三相桥式不可控二极管整流电路组成，这 2 组桥式不可控二极管整流电路串联，两个整流桥串联起来直流母线电压达到 1250VDC,并且在预充电回路中串入了 1Ω的限流电阻。
1.1.3 AFE 单元
a.吊斗铲 AFE 单元结构和工作原理。
吊斗铲 AFE 单元在结构上和普通 IGBT 逆变电路是没有区别，由二极管反向并联可控的 IGBT 组成的桥式电路。它们模块是独立结构，而且可以通用。
在 AFE 预充电结束后，主回路开始工作。在主回路闭合前，AFE工作处于准备阶段。当 AFE 交流侧主回路闭合后，AFE 系统通过电压同步模块检测电网的电压与相位，电网电压与相位同步完成后，AFE 开始工作。
AFE 处于同步整流状态时，AFE 整流单元从电网侧汲取 900V正弦交流电，通过对 AFE 的控制，经整流后输出 1800VDC 并保持恒定，各次谐波由滤波电路删除。AFE 整流的控制原理（如图）：
当交流电在正半轴时，初始状态所有的开关打开，电流的途径是 L1-D3-D2-L2,此时直流母线的电压是 1272VDC.通过对开关的控制，将 S1 和 S2 闭合，经过 S1 和 S2 有一个大的电流流过 L1 和L2,并将 L1 和 L2 储能。再将 S1 和 S2 断开，此时的电流途径仍保持L1-D3-D2-L2,此时直流母线的电压上升到 1800VDC.
当交流电在负正半轴时，初始状态所有的开关打开，电流的途径是 L2-D4-D1-L1,此时直流母线的电压是 1272VDC.通过对开关的控制，将 S4 和 S3 闭合，经过 S4 和 S3 有一个大的电流流过 L2 和L1,并将 L2 和 L1 储能。再将 S4 和 S3 断开，此时的电流途径仍保持L2-D4-D1-L1,此时直流母线的电压上升到 1800VCD.这样就完成了一个周期的整流。电压保持到 1800VDC.
当 AFE 工作在有源逆变状态时，系统通过检测直流母线的电压值，然后与预先设定的 1800VDC 进行比较。当检测到直流母线数值大于 1800VDC 时，再对系统交流侧的电压、电流以及相位进行检测。通过对 AFE 的控制， 把多余的能量回馈到交流侧电网。
所以，AFE 能够安全可靠地控制电网侧，实现能量的双向流动，以满足驱动系统电动及发电制动的要求。
