礦井提升機(jī)矢量變頻控制技術(shù)的運(yùn)用研究

付志鵬

（山西陽泉盂縣躍進(jìn)煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045100）

1 提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速原理分析

一般來說，提升機(jī)矢量控制變頻的核心內(nèi)容就是控制電動機(jī)物理模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)物理模型轉(zhuǎn)換為直流電動機(jī)物理模型，具體實(shí)施步驟可以概括如下：

1）實(shí)現(xiàn)3/2轉(zhuǎn)換：在靜止的坐標(biāo)系下，把三相坐標(biāo)系的交流定子電流按照一定的轉(zhuǎn)化程序等效的轉(zhuǎn)化為等效的兩相坐標(biāo)系中的交流電流[1]。

2）實(shí)現(xiàn)2s/2r轉(zhuǎn)換：將通過以上步驟得到的兩相交流電流按照設(shè)定好的程序轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的勵磁電流和電樞電流。轉(zhuǎn)換步驟如圖1所示。

圖1 電流轉(zhuǎn)換圖

從上圖可以看出，輸入的是三相交流電流，輸出的是轉(zhuǎn)速，這就可以等效為一臺直流電動機(jī)。工程實(shí)踐中可以采用控制直流電動機(jī)的方法，求出所需控制量的值，再經(jīng)過一個逆轉(zhuǎn)化的程序來實(shí)現(xiàn)控制交流電動機(jī)的目的。在坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程中，實(shí)質(zhì)是對磁動勢空間矢量的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)[2]。

2 礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計難點(diǎn)

在煤礦生產(chǎn)過程中提升系統(tǒng)十分復(fù)雜，礦井的提升系統(tǒng)主要由變頻系統(tǒng)、井筒信號接受系統(tǒng)、硬件安全回路系統(tǒng)、液壓自動系統(tǒng)、人機(jī)交換系統(tǒng)、主控系統(tǒng)六部分組成[3]。其中井筒信號接受系統(tǒng)主要由行程開關(guān)組成，液壓自動系統(tǒng)主要核心部件是液壓泵站，主要作用是實(shí)現(xiàn)對纏繞鋼繩的滾筒實(shí)行抱閘制動。提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 礦井提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行礦井提升變頻設(shè)計中存在諸多難點(diǎn)。可以概括為以下三點(diǎn)：

1）網(wǎng)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)。從輸入功率因數(shù)角度看，礦用高功率電氣設(shè)備，都希望具有高功率因數(shù)，尤其是對于中壓傳動系統(tǒng)，設(shè)備在運(yùn)行過程中，功率可以達(dá)到數(shù)千瓦，這就對于輸入側(cè)的功率因數(shù)提出了很高的要求。從網(wǎng)側(cè)電流畸變角度看，在變頻系統(tǒng)中，整流器是必備元件，而整流器的作用就是從電網(wǎng)側(cè)吸取畸變電流，這就造成了輸入電壓波會產(chǎn)生缺口，形成的畸變電壓和電流會導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

2）電動機(jī)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)。從電壓變化率和波反射的角度觀察，在交-直-交變頻器逆變換中，在輸出端會得到一系列的脈沖序列，這些脈沖序列的電壓變化率很高。實(shí)踐表明，電壓變化率過高會加快電動機(jī)繞組邊緣的老化，還可能造成電磁輻射，軸承斷裂損壞等現(xiàn)象。從共模電壓角度看，共模電壓的本質(zhì)是由逆變器和整流器開關(guān)作用，疊加開關(guān)噪音后的零序電壓。如果零序電壓沒有采取有效措施進(jìn)行控制，其會在電動機(jī)的中性點(diǎn)和大地之間形成較高的對地電壓，對地電壓的存在，造成電動機(jī)繞組之間電壓的加大，最終導(dǎo)致不同相電壓之間繞組絕緣層的老化。

3）開關(guān)器件的限制和傳動系統(tǒng)的整體要求。從開關(guān)器件的限制角度看，礦用提升機(jī)的開關(guān)器件要求在控制成本的同時需要有足夠的耐壓能力和良好的散熱性能，煤礦為了實(shí)現(xiàn)高壓需求，需要采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后首先需要解決的就是均壓難題[4]。從提升機(jī)傳動系統(tǒng)的整體要求看，提升系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要滿足高效率、低損耗、安全運(yùn)行時間長、設(shè)備維護(hù)成本低的要求。同時，在某些特殊環(huán)境下，提升機(jī)傳動系統(tǒng)還應(yīng)具有高動態(tài)性能能力、再生制動能力以及四象限運(yùn)行能力。

3 礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計分析

3.1 整流器設(shè)計

整流器的作用是接受能量，是電力變換的開始。需要進(jìn)行設(shè)計的變頻器負(fù)載主要是礦用提升機(jī)的拖動電動機(jī)，提升機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以把提升機(jī)負(fù)載視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于提升機(jī)使用頻率和電動機(jī)的啟停頻率很高，正反轉(zhuǎn)切換頻繁，加之電動機(jī)功率很大，設(shè)計后的變頻器應(yīng)該要滿足節(jié)能特性，如果進(jìn)行設(shè)計后的變頻器具備四象限運(yùn)行能力和將制動電能回饋到電網(wǎng)的能力，將滿足上述要求。針對礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計中的網(wǎng)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)，可以確定需要進(jìn)行設(shè)計的整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和整流方式。電網(wǎng)電壓波形中存在著一定的諧波，并且電壓波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，這就導(dǎo)致在中壓傳動系統(tǒng)中，整流器從電網(wǎng)中吸取電能較為困難，針對這一問題，在整流器設(shè)計過程中，可以將每個整流橋的供電電源設(shè)計為三個二次繞組。通過這種整流橋供電形式的設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)如下目的：通過移相變壓器結(jié)合PWM整流，消除變壓器一次側(cè)的 3、5、7、11、13次諧波電流，高于 21次的諧波可以直接采用濾波電容加以抑制，一次側(cè)17次和19次諧波電流可由整流器來消除；有效解決了高壓對整流器開關(guān)的影響，降低整流器開關(guān)器件的耐壓要求[5]。設(shè)計整流管時為了把能量回饋到電網(wǎng)和消除變壓器一次側(cè)的17、19次諧波，這里不能采用二級管整流，而采用性能更穩(wěn)定的三相橋式全控整流，整流器的開關(guān)器件選擇IGBT，設(shè)計完成后采用PWM技術(shù)進(jìn)行整流控制。整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

3.2 逆變器設(shè)計

逆變器是變頻器的輸出端，逆變器的主要作用是將經(jīng)過整流器整流后的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源（電壓和頻率可變）。隨著科技的發(fā)展，開關(guān)器件的耐壓能力和開關(guān)能力都有了很大的提高，并且在中高壓領(lǐng)域出現(xiàn)了具有多種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)煤礦不同的負(fù)載情況進(jìn)行選擇[6]。在進(jìn)行逆變器設(shè)計過程中，為了改善輸出波形的質(zhì)量和增加逆變器的變壓容量，原有的二極管箝位式三電平逆變器不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，可以將二極管箝位式三電平逆變器拓展為四電平、五電平逆變器，經(jīng)過拓展后的逆變器的每個橋臂由六個（五電平逆變器是八個）全控開關(guān)器和與之相應(yīng)的箝位二極管，線路中的直流電壓由三個（五電平逆變器是四個）等容電容分擔(dān)，這種改進(jìn)有效地改善了輸出波形，增加了逆變器容量，如圖4所示。

圖3 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 四電平、五電平逆變器

4 結(jié)論

礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，是進(jìn)行煤礦生產(chǎn)的必不可少的設(shè)備之一。進(jìn)行礦井提升機(jī)的矢量變頻改造可以有效解決提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)過程中耗電量大的難題。通過分析礦井提升機(jī)矢量變頻技術(shù)改造的難點(diǎn)，對整流器和逆變器進(jìn)行設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的變頻改造。