提高變頻器驅動型提升機運行穩定性的策略研究

閆 珂

（大同煤礦集團大斗溝煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，根據節能減排所提出的需求，礦井提升機所采取的驅動系統已經從工頻轉變為變頻，這種轉變不僅可以增強提升機的節能性，而且可以使其具備調速性能，因此，對于提升機而言，變頻器所具有的性能對其運行有著直接的影響[1-2]。

但是，實際開采的礦井大多處于偏遠地區，從配電網的層面來講，在配電網的末部，距離較長的輸電線將會使電網的等值阻抗持續擴大，甚至會產生弱電網的特征。而在對提升機變頻器進行設計的過程一般都是處于理想電網中來進行，即不對系統內存在的電網阻抗進行考慮，當該阻抗數值過大時，系統運行的實際性能將會與預期存在較大的區別，甚至會使變頻器失去穩定性。提升機系統就會產生震動，這不僅會對礦井的生產活動造成影響，而且會產生嚴重的風險問題，因此，在對該系統進行設計的時候必須充分考慮電網阻抗所產生的影響，確保系統具備較強的適應性，即系統的穩定域[3-4]。

本文首先針對該提升機的控制系統進行分析，并建立起有效的模型，并根據該模型來研究等值電感對系統所產生的影響，為了解決該系統在傳統控制模式下不具備較強穩定域的問題，引進了權重前饋控制法。該方法可以使系統的穩定域得到極大提升，確保弱電網背景下該提升機具備較強的穩定性。最后，建立有效的實驗系統，對控制方案及理論分析進行有效的驗證[5-6]。

1 創建變頻器的數學模型

圖1 所示為該提升機所運用的主電路拓撲圖。交流電源首先通過開展整流操作來將其轉換成為直流電壓Udc，然后再借助變頻器所輸出的交流電來帶動提升機的運動。在生成相應的控制指令之后，通過這些指令來得到逆變輸出電壓所具有的給定值，即u*out，并將該數值與實際數值uout進行對比，從而取得誤差信號，然后再利用諧振控制器來得到所需的輸出量，并將其與濾波作用之后的并網點的電壓相互疊加，與三角載波相互比較分析，以取得變頻器內各個開關所需的信號。值得關注的是，在進行疊加之后，變頻器的啟動電流不斷降低、啟動性能不斷增加，這就是電網電壓前饋[7-8]。

圖1 變頻器驅動型提升機電路拓撲

圖1 中：Ug為電網電壓，Lg、Rg為電網等值阻抗的電感及電阻分量，upcc為并網電壓，Udc為整流后的直流電壓，uin為變頻器交流一側的逆變輸出電壓，RL、L為濾波器存在的等值電阻及電感，uout為提升機一端的電壓，iout為變頻器的輸出電流，M為電機，GF（S）為電壓采樣低通濾波器，Gi（S）為電流控制器，u*out為變頻器輸出電壓的設定值，SPWM正弦脈調制環節。

根據圖1 中的各個變量之間的關系來得到提升機的控制系統圖，見下頁圖2。

圖2 中，E（S）為偏差，Gg（S）為電網阻抗存在的拉普拉斯變換，Ppwm（S）為正弦脈調制過程中存在的延遲，GP（S）為提升機的數學模型。

Gg（S）、GF（S）、Gpwm（S）和GP（S）的表達式：

圖2 變頻器驅動型提升機控制系統框圖

式中：Ts為數字控制算法的執行周期；ωc為信號采樣低通濾波器所具有的截比頻率；Q為品質因數；Lm、Rm為折算結束后提升機的電機電感及電阻。

令D（S）=1-GF（S）Gpwm（S）、GL（S）=1/（RL+Ls），根據圖2 可以得到的變頻器輸出電壓的偏差：

式（5）中存在的極點主要為提升機控制系統中的閉環極點，通過運用這一極點可以對弱電網下系統具有的穩定域進行分析。

2 弱電網背景下系統具有的穩定域

2.1 采用傳統模式進行控制的穩定域

為了對驅動型提升機系統在弱電網背景下所具有的穩定域進行分析（見圖2），首先要設定調速系統的各個參數：電網電壓Ug為220 V，額定電流I1為50 A，控制系統頻率fc為5 000 Hz，輸出濾波電感L為0.8 mH，濾波電感電阻R1為5 mΩ。

通過式（5）的計算可以得出系統所具有的閉環極點，并將電網存在的等值電感作為其變化量，依靠MATLAB 來取得相應的閉環跟軌跡，如圖3 所示。可知，當Lg提升至0.2 mH 的時候，系統的閉環極點將逐漸轉移到圓的邊界，此時系統將會保持穩定的狀態。因此，在采用傳統控制模式的時候，該系統在弱電網下不具備較大的穩定域，僅僅是[0，0.2]mH，這就表明：在處于較大電網阻抗的工況下，變頻驅動型提升機將會出現振動現象，進而對系統的運行造成極大的影響。

2.2 分析系統改良之后的穩定域

圖3 弱電網下采用傳統控制策略時變頻器驅動型提升機的穩定域分析

通過上述所開展的分析可知，如果提升機采取了傳統的控制模式，其不具有較大的穩定域，為了斷擴大該穩定域，系統采用了權重前饋的控制模式，其原理見圖4。該模式與傳統的模式存在著較大的差別，在前饋通道中將G（FS）與權重因子KW相乘，其變化維持在0～1 之間，根據相關研究可知，系統的穩定域將會隨著衰減因子的減小而逐漸增加，但是其速率也會越差，因此，在確定衰減因子的時候，必須對系統運行具有的穩定性及效率進行充分考慮。在保證其他參數固定不變的時候，當KW的數值等于0.75 的時候，系統將會形成相應的閉環根軌跡，如圖5 所示。由此可知，此時該系統所具有的穩定域將會不斷擴大。而在實際應用中，應當更加重視系統的穩定域，盡可能降低權重因子。

圖4 基于權重前饋的變頻器驅動型提升機控制系統框圖

圖5 弱電網下采用改進控制策略時變頻器驅動型提升機的穩定域分析

3 實驗驗證

為了對上述理論分析的科學性進行驗證，本文通過建立實驗系統來檢驗理論分析的科學性，詳見圖6—圖10。

圖6 弱電網下采用傳統控制策略時變頻器輸出電壓實驗結果

采取傳統控制措施之后，在電網等值電感Lg達到0.25 mH 之時，變頻器的輸出電壓見圖6，由此可知，該輸出電壓產生了嚴重的振蕩，系統運行開始不穩定，此時提升機所具有的轉速見下頁圖7。可見，提升機的轉速會隨著電壓的振蕩而出現劇烈的振蕩，對礦井生產的安全性造成了極大的影響。

為了進行有效對比分析，在運用權重前饋之后，當Lg達到1.15 mH 時，變頻器的輸出電壓詳見圖8，由此可知，該輸出電壓具備較好的正弦度，此時提升機所具有的轉速見圖9，可知該變頻器驅動的提升機具有穩定的轉速，試驗結果顯示權重前饋控制措施的應用可以極大提升弱電網背景下系統的穩定域，證實了上述研究的科學性與權重前饋控制措施的有效性。

圖10 所表示的為提升機運用改良控制措施之后的提速效果，由此可知，當關于轉速的指令產生變化時，提升機應當對其轉速進行適當的調整，之后再恢復穩定，并且在該過程中提升機具有穩定的轉速。

圖7 弱電網下采用傳統控制策略時提升機轉速實驗結果

圖8 弱電網下采用改進控制策略時變頻器輸出電壓實驗結果

4 結語

對于現階段礦井生產所運用的變頻器驅動提升機，通過對其在弱電網背景下所具有的穩定域進行分析可以得出，在以往采取的控制方案中，該類提升機不具有較大的穩定域，為了擴大弱電網下系統的穩定域，本系統采取了權重前饋控制方案，通過進行分析發現，在采取該方案之后處于弱電網背景下系統所具有的穩定域就會取得較大的增加。最后創建了一個穩定的試驗體系，其結果顯示上述所進行的分析具有較強的科學性、權重前饋的控制策略具有較高的有效性。

圖9 弱電網下采用改進控制策略時提升機轉速實驗結果

圖10 弱電網下采用改進控制策略時提升機調速實驗結果