陳 靜

(淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇淮安 223300)

0 引言

礦井提升系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,關(guān)系到礦井的安全和產(chǎn)量.為保證提升設(shè)備安全往返運(yùn)行,要求提升機(jī)具有較高的調(diào)速性能、精度的位置控制以及可靠的安全保護(hù)[1].為了降低工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)能耗,現(xiàn)代礦井提升機(jī)多選用變頻調(diào)速的傳動(dòng)方式.目前,大功率交流提升機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)包括高壓(6 KV,10KV電壓等級(jí))交流電機(jī)和高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng).高壓變頻器根據(jù)其變換方式可以分為直接變換式(交-交)和間接變換式(交-直-交)兩類(lèi)[2].交-直-交電壓源型高壓變頻器根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分為兩電平式、三電平式和功率單元級(jí)聯(lián)多電平式等多種結(jié)構(gòu).

為解決機(jī)械傳感器帶來(lái)的性能、安裝、可靠性和價(jià)格等方面問(wèn)題,無(wú)速度傳感器技術(shù)成為電機(jī)控制的研究熱點(diǎn)之一.本文以大功率鼠籠交流提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,介紹三電平變頻器簡(jiǎn)化SVPWM控制算法和矢量控制策略原理,重點(diǎn)闡述基于全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法.

圖1 交-直-交H橋三電平變頻拖動(dòng)系統(tǒng)

1 大功率鼠籠式交流提升系統(tǒng)簡(jiǎn)介

礦井提升機(jī)需要經(jīng)常啟動(dòng)、停車(chē)、正反向運(yùn)行,一次提升過(guò)程中速度變化可分為5個(gè)階段:加速、勻速、減速、爬行和停車(chē).為保證設(shè)備安全往返運(yùn)行,要求提升系統(tǒng)的控制性能好,有較高的調(diào)速性能和位置控制,同時(shí)具有可靠的安全保護(hù).

本文中大功率鼠籠式交流提升機(jī)系統(tǒng),采用交-直-交三電平主回路結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)交流鼠籠電機(jī)定子變頻矢量控制;同時(shí)配以高性能DSP對(duì)變頻器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)電機(jī)全數(shù)字轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié).鼠籠電機(jī)變頻拖動(dòng)系統(tǒng)主回路如圖1所示.考慮礦井實(shí)際條件和電機(jī)容量,變頻器采用先進(jìn)的交-直-交H橋三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).6KV電網(wǎng)電壓通過(guò)三相變壓器和進(jìn)線電抗器與功率變換器連接,提供變壓變頻的三相交流電壓,實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制.

變頻器主回路采用交-直-交H橋三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).整流側(cè)采用PWM整流控制,在保證直流母線電壓穩(wěn)定的前提下,使電網(wǎng)輸入電流正弦化且相位可控,實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[3].逆變側(cè)采用H橋三電平逆變器,各功率單元輸出電壓星型聯(lián)結(jié),構(gòu)成三相輸出電壓.

三相輸出電合后共有27種輸出狀態(tài),其中包括6個(gè)大矢量,6個(gè)中矢量,12個(gè)小矢量和3個(gè)零矢量.三電平電壓空間矢量圖如圖2所示,6個(gè)大矢量將空間矢量圖分為6個(gè)正三角形扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)又被中矢量和小矢量分為4個(gè)小三角形.

三電平電壓空間矢量圖可視為由6個(gè)兩電平電壓空間矢量構(gòu)成的小六邊形相互疊合而成,如圖3所示.判斷參考電壓矢量所在的位置只需先判定其所處的小六邊形,然后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)平移將三電平電壓矢量平面簡(jiǎn)化為兩電平電壓矢量平面,過(guò)渡時(shí)注意還需對(duì)參考電壓矢量進(jìn)行修正[4].

圖2 三電平電壓空間矢量圖

圖3 簡(jiǎn)化的三電平電壓空間矢量圖

2 無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)

圖4為無(wú)速度傳感器矢量控制原理框圖.系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI控制,關(guān)鍵部分為磁鏈觀測(cè)器模塊以及速度觀測(cè)器模塊.

異步電機(jī)電壓方程和磁鏈方程為:

式中:us為定子電壓;is、ir為定、轉(zhuǎn)子電流;Ψs、Ψr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈;Rs、Rr、Ls、Lr、Lm為電機(jī)參數(shù);ωe為同步旋轉(zhuǎn)角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;p為電機(jī)極對(duì)數(shù).

圖4 無(wú)速度傳感器矢量控制原理框圖

2.1 全階磁鏈觀測(cè)器

圖5為一種全階閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器,由開(kāi)環(huán)電流模型和自適應(yīng)電壓模型組成[5].電流模型在低速的時(shí)可以提供比較準(zhǔn)確的值,而電壓模型則具有較寬的速度調(diào)節(jié)范圍.

圖5 全階閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器

1)電流模型

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型為:

使d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合,則此時(shí)q軸分量為0,即

經(jīng)反Park變換可得兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

電流模型的輸出,即定子磁鏈Ψiαβs由下式計(jì)算:

2)電壓模型

測(cè)量定子電壓、電流值,兩相靜止坐標(biāo)系下,定子磁鏈為:

其中:Ucomp,αβs為考慮觀測(cè)誤差后的補(bǔ)償量,由PI調(diào)節(jié)器輸出.

在兩相靜止坐標(biāo)系下,基于電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式為:

3)模型之間的平滑切換

從控制理論出發(fā),轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器可以看作一個(gè)兩輸入、單輸出的線性系統(tǒng):

2.2 速度觀測(cè)器

系統(tǒng)采用 基于狀態(tài)方程的直接法"來(lái)辨識(shí)速度,基本原理為ωr=ωe-ωs.同步頻率ωe可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈角θΨr求導(dǎo)得到,即:

由于兩相靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式為:

將式(16)帶入式(15)可得:

3 運(yùn)行結(jié)果

本文提出的矢量控制技術(shù)運(yùn)用于某礦暗立井提升機(jī).該提升系統(tǒng)具體參數(shù)為:主電機(jī)為防爆交流異步電機(jī);電機(jī)功率1000KW;定子電壓2300V;定子電流300A,50Hz.在該條件下,三電平逆變器輸出線電壓實(shí)測(cè)波形如圖6所示.電機(jī)線電壓波形為五階梯波,接近于正弦,同時(shí)dv/dt小,可以降低對(duì)電機(jī)絕緣的沖擊以及系統(tǒng)EMI.

圖7為提升機(jī)帶負(fù)載情況下的一個(gè)提升周期中,轉(zhuǎn)速給定從零速段到加速、勻速、減速、低速爬行直至停車(chē)過(guò)程中,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈角以及勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流實(shí)測(cè)波形.

圖6 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行線電壓波形

圖7 提升機(jī)運(yùn)行波形圖

可以看出,電機(jī)加速段,在轉(zhuǎn)速達(dá)到給定前,轉(zhuǎn)矩電流很大,電機(jī)以最大加速度加速,經(jīng)過(guò)小的超調(diào)后恢復(fù)正常.等速段,由于提升機(jī)不斷上升,鋼絲繩的重量不斷下降,電機(jī)負(fù)載緩慢減小,電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流逐漸減小.減速時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流接近于零.停車(chē)階段由于抱閘,轉(zhuǎn)矩電流有小幅的回升.當(dāng)電機(jī)停止運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)矩電流回零.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,該全數(shù)字定子變頻調(diào)速系統(tǒng)是安全可靠的.

4 結(jié)束語(yǔ)

采用全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的電機(jī)矢量控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了礦井交流提升系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器運(yùn)行,運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本文所用控制算法的正確性.該系統(tǒng)滿足提升機(jī)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性和速度精確度的需求,具有較好的應(yīng)用前景和推廣性.

[1] 許甫榮.高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].自動(dòng)博覽化,2007(4):14-18.

[2] 何鳳有,馬志勛.現(xiàn)代交流提升機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)比較[J].工礦自動(dòng)化,2009(10):20-23.

[3] 伍小杰.基于H橋單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2009(3):61-64.

[4] 鄧先明,王冬冬,葉宗彬,等.基于簡(jiǎn)化三電平SVPWM算法的整流器研究[J].電力電子技術(shù),2008(5):3-5.

[5] 李浩,譚國(guó)俊.基于全階閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器矢量控制系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),2008,42:30-31.

[6] 鄭萍,王明渝.感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制的速度估算器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2001,16(5):25-26.