張曉鳳 張鵬惠

礦井提升機(jī)超同步串級(jí)調(diào)速控制研究

張曉鳳 張鵬惠

針對(duì)晶閘管串級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題,提出了采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)的雙PWM整流器的雙饋串級(jí)調(diào)速方案，確定了整流器調(diào)制度，詳細(xì)分析了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程。

礦井提升機(jī)；PWM整流器；矢量控制；串級(jí)調(diào)速

一 引言

隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，為繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制提供了較大的發(fā)展空間，采用串級(jí)或雙饋調(diào)速方式，在調(diào)速時(shí)可將轉(zhuǎn)差功率回收利用，或者變?yōu)闄C(jī)械功率回饋到電機(jī)軸上，或者回饋電網(wǎng)，調(diào)速系統(tǒng)的效率較高。

與高壓交流調(diào)速的定子控制對(duì)比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是高壓調(diào)速，低壓控制，經(jīng)濟(jì)、可靠；二是調(diào)速控制裝置功率小于電動(dòng)機(jī)功率，可以在調(diào)速范圍內(nèi)滿足需求的前提下，減小控制裝置的容量；三是調(diào)速控制與機(jī)械輸出成并聯(lián)關(guān)系，故障時(shí)可以短接轉(zhuǎn)子繞組，旁路控制裝置，使異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于自然特性，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，在調(diào)速范圍要求不高的情況下，晶閘管裝置的容量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差功率相當(dāng)，調(diào)速裝置的容量可大大減小，特別是轉(zhuǎn)子電壓為低壓，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本比變頻調(diào)速方案低很多。但由于調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低、調(diào)速范圍小及諧波抑制等問(wèn)題，使其推廣應(yīng)用受到限制。

針對(duì)繞線異步電機(jī)的傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速控制存在的問(wèn)題，本文提出基于電壓型雙PWM整流器的串級(jí)調(diào)速方案，采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)。

二 系統(tǒng)控制原理

1.結(jié)構(gòu)與工作原理。

圖1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

圖1所示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖，功率部分由轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)PWM整流器組成，相應(yīng)的控制部分，采用直流雙閉環(huán)方式的定子磁場(chǎng)定向矢量控制。系統(tǒng)控制器除完成相應(yīng)的控制算法、磁鏈觀測(cè)器和驅(qū)動(dòng)PWM脈沖波的形成與分配外，還設(shè)置速度差和電流的電平檢測(cè)器及邏輯狀態(tài)判別器，以控制電機(jī)在起動(dòng)、加速、等速、減速和爬行各階段雙PWM整流器相應(yīng)的工作狀態(tài)。

2.整流器控制。PWM整流器作為一種新型整流器，可以克服晶閘管整流器輸入電流諧波含量高、功率因數(shù)低、換相重疊嚴(yán)重等缺點(diǎn)，它結(jié)合PWM逆變控制技術(shù)，不僅可獲得可控的AC/DC變換性能，而且可實(shí)現(xiàn)交流輸入側(cè)單位功率因數(shù)和正弦波電流控制。PWM整流器對(duì)輸出電壓和輸出電流具有較強(qiáng)的控制能力，具有較高的功率密度和雙向傳遞電能的能力，能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)性能。

PWM整流器的主要作用，是在轉(zhuǎn)子功率變化過(guò)程中，保持直流側(cè)電壓的相對(duì)穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)整流器系統(tǒng)參數(shù)和模型參數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較穩(wěn)定的，采用電動(dòng)機(jī)定子電壓(或電源電壓)定向的矢量控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)整流器與電網(wǎng)之間的有功功率和無(wú)功功率傳遞的獨(dú)立控制。PWM整流器電網(wǎng)電壓定向矢量控制，可按直流系統(tǒng)的控制方式，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的級(jí)聯(lián)雙閉環(huán)控制方式。其中，電壓環(huán)主要作用是控制直流側(cè)電壓，電流環(huán)則根據(jù)電壓環(huán)輸出的電流給定值控制交流輸入電流。

3.整流器調(diào)制度確定。PWM整流器的控制技術(shù)主要體現(xiàn)在“間接電流控制”和“直接電流控制”兩大方向上。直接電流控制策略以快速的電流響應(yīng)和魯棒性倍受關(guān)注，并針對(duì)固定輸入已研究出各種不同的控制方案。當(dāng)輸入電源按一定規(guī)律發(fā)生變化時(shí)，電路參數(shù)的變化等因素直接影響控制方案的實(shí)施。本文通過(guò)改進(jìn)的PWM整流器相位幅值控制方式，針對(duì)PWM整流器輸入電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏等問(wèn)題，分析研究了整流器輸入前端電壓滯后角δ與PWM整流器調(diào)制度m之間的關(guān)系。

圖2 三相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)拓樸

圖2所示電路為三相電壓型PWM整流器拓樸結(jié)構(gòu)，當(dāng)調(diào)制度為m時(shí)，PWM整流器前端輸入電壓基波分量ura為

式中，Ura為整流器前端輸入電壓基波分量峰值。

因此，

通過(guò)調(diào)整PWM的調(diào)制度m和控制角δ，控制電感L上電壓的相位，可以使輸入電流基波分量的相位與輸入電壓相位相同或相反。

為避免過(guò)度調(diào)制，通常網(wǎng)側(cè)整流器PWM調(diào)制度m1取為0.75，而轉(zhuǎn)子側(cè)整流器PWM調(diào)制度m2最大可取0.76，因此在理論上，6極繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍可達(dá)0～2000r/min。

三 系統(tǒng)運(yùn)行控制過(guò)程

礦井提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有提升和下放兩種，負(fù)荷包括人員、材料和矸石的提升和下放，綜合各種情況，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行基本可分為四個(gè)狀態(tài)：亞同步電動(dòng)運(yùn)行，超同步再生制動(dòng)運(yùn)行，超同步電動(dòng)運(yùn)行和亞同步再生制動(dòng)運(yùn)行。

以矸石提升循環(huán)為例分析PWM整流器的工作狀態(tài)。

速度給定環(huán)節(jié)按圖3方式給出提升機(jī)運(yùn)行速度圖：

圖3 提升機(jī)運(yùn)行速度圖

1.起動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)全范圍調(diào)速，本系統(tǒng)采用直接起動(dòng)，利用PWM整流器控制裝置本身來(lái)直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而不用任何附加起動(dòng)設(shè)備。起動(dòng)控制時(shí)，網(wǎng)側(cè)整流器先于電動(dòng)機(jī)接通交流電網(wǎng)，然后接通電動(dòng)機(jī)定子電源，此時(shí)轉(zhuǎn)子呈開路狀態(tài)，可防止因電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的合閘過(guò)電壓通過(guò)轉(zhuǎn)子回路損壞整流裝置，最后將轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)整流器接通。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路接通時(shí)，由于轉(zhuǎn)子整流電小于逆變電壓，直流回路無(wú)電流，電動(dòng)機(jī)尚不能起動(dòng)，通過(guò)網(wǎng)側(cè)PWM整流器交流輸入電壓的幅值和相位控制逐漸降低逆變電壓，直流回路產(chǎn)生電流，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)加速，直至達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。

2.加速段運(yùn)行。

(1)正力加速。加速開始，網(wǎng)側(cè)整流器逆變作用與轉(zhuǎn)子側(cè)整流器整流作用相當(dāng)，加強(qiáng)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器整流作用，電動(dòng)機(jī)從0加速。加速時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率由轉(zhuǎn)子經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)整流器、網(wǎng)側(cè)整流器、逆變變壓器回饋電網(wǎng)。

(2)負(fù)力加速。負(fù)力加速過(guò)程，速度反饋值始終超前速度給定值，速度調(diào)節(jié)器在負(fù)偏差的作用下進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率由變壓器經(jīng)網(wǎng)側(cè)整流器、轉(zhuǎn)子側(cè)整流器、定子回饋電網(wǎng)。

在初加速和主加速階段，電動(dòng)機(jī)工作于亞同步電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)際速度小于給定速度，速度差gt;0，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)。輸入到電動(dòng)機(jī)定子側(cè)的電磁功率，一部分變?yōu)闄C(jī)械功率由電動(dòng)機(jī)軸輸出，另一部分變?yōu)檗D(zhuǎn)差功率，由整流器饋入電網(wǎng)。加速至同步速附近(同步速的95%左右——通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定)時(shí)，切換整流器的工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，定子側(cè)和整流器同時(shí)向電動(dòng)機(jī)軸輸入功率，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速至同步轉(zhuǎn)速或超同步運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，Slt;0，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器又工作在逆變狀態(tài)，而網(wǎng)側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)。

3.等速段運(yùn)行。正力提升等速運(yùn)行段，若轉(zhuǎn)子電流小于轉(zhuǎn)子額定電流的15%～20%或由于負(fù)載變化出現(xiàn)負(fù)力時(shí)，需重新投入串級(jí)調(diào)速裝置，使系統(tǒng)在亞同步發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，防止電機(jī)在自然特性上過(guò)渡到超同步發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，造成提升機(jī)在過(guò)減速點(diǎn)無(wú)法正常減速的后果，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

負(fù)力運(yùn)行等速段，串級(jí)調(diào)速裝置參與全過(guò)程的調(diào)速控制。

4.減速段運(yùn)行。區(qū)別于傳統(tǒng)的晶閘管控制的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)可通過(guò)串級(jí)調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)減速段的運(yùn)行控制。

(1)正力提升等速運(yùn)行減速控制。過(guò)減速點(diǎn)時(shí)投入串級(jí)調(diào)速裝置，電動(dòng)機(jī)由自然特性過(guò)渡到串級(jí)調(diào)速方式運(yùn)行，由函數(shù)發(fā)生器給出減速圖及爬行速度。轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流減小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提升機(jī)減速。轉(zhuǎn)子電勢(shì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而增加，當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速至速度反饋信號(hào)小于爬行給定速度信號(hào)時(shí)，在控制單元的作用下，使轉(zhuǎn)子電流回升。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度反饋信號(hào)與爬行給定速度信號(hào)平衡時(shí)，減速控制結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定爬行段。

(2)負(fù)力下放等速運(yùn)行減速控制。同上，過(guò)減速點(diǎn)時(shí)由函數(shù)發(fā)生器給出減速圖及爬行速度。轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，直流回路電流增大，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，提升機(jī)減速。在控制單元的作用下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度反饋信號(hào)與爬行給定速度信號(hào)平衡時(shí)，減速控制結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定爬行段。

在減速階段，過(guò)減速點(diǎn)后，速度給定降至爬行速度，速度差lt;0。超同步轉(zhuǎn)速下，由于Slt;0，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)；減速至同步速以下，由于Sgt;0，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器工作狀態(tài)切換為逆變，網(wǎng)側(cè)整流器工作在整流狀態(tài)。減速至爬行速度時(shí)，由于慣性作用，速度差gt;0，轉(zhuǎn)子側(cè)整流器恢復(fù)整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)整流器工作在逆變狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)又進(jìn)入電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

四 結(jié)論

采用雙PWM整流器構(gòu)成的繞線式異步電機(jī)雙饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，能夠解決晶閘管串級(jí)調(diào)速控制存在的系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波污染等問(wèn)題，可使調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速在亞同步速、同步速及超同步轉(zhuǎn)速寬范圍內(nèi)的平滑過(guò)度。定子磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，可解決因模型不精確及參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)調(diào)速性能的影響，提高對(duì)PWM整流器的可控性與控制精度，有進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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ClassNo.:TD534DocumentMark:A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

ResearchonSuper-synchronousCascadeControlofMineElevator

Zhang Xiaofeng Zhang Penghui

Considering the Static Kramer drive system and Static Scherbius drive system, the paper proposed the scheme of doubly fed cascade control system with double-side PWM rectifier which adopted vector control technology.The paper also introduced the running process of and the modulating relation.

mine hoist；PWM rectifier；vector control；cascade control

張曉鳳，助理工程師,新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦,山東·泰安。研究方向：機(jī)電。郵政編碼：271413

張鵬惠，助理工程師，雞西礦業(yè)集團(tuán)公司杏花煤礦選煤廠，黑龍江·雞西。郵政編碼：158173

1672-6758(2011)04-0061-2

TD534

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