李良光，曹曉鴿

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

目前，煤礦提升機(jī)電力拖動系統(tǒng)大多采用交流調(diào)速技術(shù)。常見的交流調(diào)速技術(shù)方案有：繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速；晶閘管串級調(diào)速；同步電機(jī)交－交變頻調(diào)速；同步電機(jī)三電平交－直－交雙邊PWM變流器變頻調(diào)速等。從調(diào)速系統(tǒng)的功率容量考慮，這些調(diào)速方案可分為兩大類型：第1類是轉(zhuǎn)差功率調(diào)節(jié)型，例如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管串級調(diào)速。這兩種調(diào)速方案的不同之處在于：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速是將定子繞組輸入的多余能量消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，而串級調(diào)速則可以將定子側(cè)輸入的多余能量通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器回饋電網(wǎng)；這些調(diào)速方案中被調(diào)節(jié)的功率是小于電動機(jī)定子繞組輸入功率的，屬于部分功率調(diào)節(jié)型［1］。第2類是直接變頻調(diào)速，其電動機(jī)的輸入電功率全部來自變頻器，屬于全功率調(diào)節(jié)型。因此，變頻器的額定功率容量必須要大于或等于電動機(jī)的額定功率容量。

交流調(diào)速技術(shù)中還有雙饋調(diào)速方案，雖然調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，但其具有許多優(yōu)點(diǎn)：可降低變流器的功率容量等級；可提高電機(jī)的實(shí)際輸出功率；可實(shí)現(xiàn)用較低電壓等級的變流器拖動較高電壓等級的電機(jī)；屬于部分功率調(diào)節(jié)型，調(diào)速系統(tǒng)整體效率高；采用交－直－交雙邊PWM變流器，調(diào)速系統(tǒng)整體功率因數(shù)高［2］。這一交流調(diào)速技術(shù)方案被認(rèn)為是現(xiàn)有煤礦的中高壓交流提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)改造的最佳選擇方案［3］。

2 提升機(jī)雙饋調(diào)速啟動模式

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)交－直－交雙邊PWM變流器雙饋調(diào)速系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模式主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)速系統(tǒng)主電路包括網(wǎng)側(cè)配電變壓器T、網(wǎng)側(cè)電壓源型PWM整流器（VSR）和電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)雙饋調(diào)速系統(tǒng)主電路連接Fig.1 Main circuit connection of standard doubly fed speed control system

2.1 標(biāo)準(zhǔn)雙饋調(diào)速系統(tǒng)直接啟動模式

目前，雙饋調(diào)速技術(shù)應(yīng)用比較成熟的是風(fēng)機(jī)、水泵和風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)的調(diào)速［4］，這類流量型負(fù)載在實(shí)際應(yīng)用中有幾個(gè)明顯特征：

1）調(diào)速系統(tǒng)非頻繁啟停，對啟動的加速度沒有嚴(yán)格限制；

2）負(fù)載力矩與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，低速時(shí)負(fù)載力矩?。?/p>

3）正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)要求的調(diào)速范圍不大，一般在±15%～±30%范圍內(nèi)。

這類負(fù)載的雙饋調(diào)速系統(tǒng)常見的啟動方案是直接慢啟動，也有采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻輔助啟動的。這兩種啟動方案的優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對較簡單；不足之處是在系統(tǒng)啟動初期，由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，變流器要承受較大的轉(zhuǎn)差功率。不過，由于轉(zhuǎn)差功率的大小與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，最大轉(zhuǎn)差功率依然可以承受。

2.2 提升機(jī)雙饋調(diào)速混合啟動模式

煤礦提升機(jī)的負(fù)載特性和運(yùn)行特點(diǎn)與風(fēng)機(jī)、水泵等流量型負(fù)載有很大差別，主要表現(xiàn)在：

1）要求調(diào)速系統(tǒng)頻繁啟停，一個(gè)運(yùn)行周期一般只有1～2min；

2）大機(jī)械慣量，位能型負(fù)載，重載啟動，負(fù)載力矩與系統(tǒng)的運(yùn)行速度關(guān)系不大；

3）調(diào)速系統(tǒng)除高速運(yùn)行段外，還有低速爬行段，要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍比較大。

如果提升機(jī)也采用直接啟動模式，則在啟動初期和爬行階段，變流器要承受很大的轉(zhuǎn)差功率，要求變流器的額定功率容量會比較大，調(diào)速系統(tǒng)的造價(jià)比較高。因此，提升機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)最好是采用單雙饋混合啟動模式：在啟動初期和低速爬行階段采用變流器單饋，即正常的變頻調(diào)速模式，中高速運(yùn)行時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)雙饋調(diào)速運(yùn)行模式［5］。

低速單饋模式的主電路連接方式有兩種，如圖2所示。

圖2 低速單饋模式的主電路連接Fig.2 Main circuit connection of low－speed single－feed mode

圖2a所示是最常見的變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路連接模式，但是在實(shí)際應(yīng)用中，這種連接模式存在2個(gè)問題：

1）一般的煤礦交流提升機(jī)所用繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的功率容量都比較大，定轉(zhuǎn)子參數(shù)不對稱，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓比較小，電流比較大。例如，1臺定子電壓6kV的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)開路電壓約1kV。因此，會造成單、雙饋兩種不同連接模式下變流器的電壓和電流容量不匹配；

2）電機(jī)繞組是感性負(fù)載，頻繁地來回切換變流器與電機(jī)繞組的連接對變流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行不利。

圖2b是轉(zhuǎn)子繞組接變流器，定子繞組短路的異步電機(jī)“倒拖模式”［6］。采用這種模式的好處是：變流器始終接在轉(zhuǎn)子側(cè)，不必來回切換，有利于變流器的安全穩(wěn)定運(yùn)行；不存在兩種模式切換時(shí)帶來的電壓和電流的容量匹配問題。倒拖模式與正常模式的主要差別是電機(jī)的參考方向相反（包括Te和ω）；電機(jī)的功率容量會略有下降。

實(shí)際的煤礦提升機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)單、雙饋混合啟動模式的主電路連接如圖3所示，圖3中K1，K2為模式切換輔助開關(guān)。在低速單饋模式時(shí)，K1斷開，K2閉合；在標(biāo)準(zhǔn)雙饋模式時(shí)，K1閉合、K2斷開。

圖3 雙饋調(diào)速系統(tǒng)單雙饋混合模式主電路連接Fig.3 Main circuit connection of single and doubly fed mode hybrid speed control system

3 提升機(jī)雙饋調(diào)速控制策略

提升機(jī)交－直－交雙邊PWM變流器雙饋調(diào)速系統(tǒng)的控制包括網(wǎng)側(cè)變流器控制和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制。網(wǎng)側(cè)變流器的控制采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的空間矢量 PWM（SVPWM）控制策略［7］，設(shè)定網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1。控制目標(biāo)是：穩(wěn)定直流母線電壓。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在標(biāo)準(zhǔn)雙饋模式下采用定子磁場定向矢量控制技術(shù)，磁鏈模型采用電壓模型，控制目標(biāo)是定子繞組電流最?。ǘㄗ觽?cè)功率因數(shù)最優(yōu)）［8］。在單饋倒拖模式下采用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)；不過，由于是變流器接轉(zhuǎn)子繞組的倒拖模式，實(shí)際定向的磁鏈依然是定子磁鏈。因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)的這種連接模式主要是運(yùn)行在低速狀態(tài)下，且負(fù)載特性平穩(wěn)，磁鏈模型采用電流模型［9］。

4 變流器功率容量仿真研究

仿真主要針對雙饋調(diào)速系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)雙饋直接啟動和單雙饋混合啟動兩種模式下，變流器功率容量的差別進(jìn)行對比研究?？紤]到調(diào)速系統(tǒng)的2個(gè)變流器功率容量相同，本文只討論轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。單雙饋混合啟動模式的模式切換閾值設(shè)定為電機(jī)同步速的一半。

變流器系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：變流器直流母線電壓：700V；負(fù)載力矩：50N·m，加載時(shí)間：0s；電機(jī)參數(shù)為額定功率Pe＝10kW，額定電壓Ue＝380V，額定頻率fe＝50Hz，互感L＝0.1722H，轉(zhuǎn)動慣量J＝ 0.2kg·m2，定子電阻Rs＝1.405Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr＝1.395Ω，定子漏感Ls＝0.006H，轉(zhuǎn)子漏感Lr＝0.006H，極對數(shù)p＝2。考慮到提升機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量比較大，將電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量設(shè)為0.2kg·m2。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)雙饋直接啟動運(yùn)行模式仿真

標(biāo)準(zhǔn)雙饋調(diào)速直接啟動運(yùn)行模式下，系統(tǒng)仿真的速度給定及響應(yīng)波形如圖4所示，速度范圍包括亞同步和超同步，加減速和爬行狀態(tài)；仿真結(jié)果見圖5～圖8。

圖4 速度給定與響應(yīng)波形Fig.4 Speed reference and response waveform

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出電流波形Fig.5 Rotor side converter output current waveforms

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩波形Fig.6 The electromagnetic torque waveform

圖7 電機(jī)定子側(cè)瞬時(shí)功率波形Fig.7 The instantaneous power waveforms of stator

圖8 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器瞬時(shí)功率波形Fig.8 Rotor side converter instantaneous power waveforms

4.2 標(biāo)準(zhǔn)雙饋模式仿真結(jié)果分析

整個(gè)仿真周期共分為6個(gè)時(shí)間段，分別對應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)。

1）啟動加速階段。在1s以前，系統(tǒng)以恒定加速度啟動，速度線性增長，電磁轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在約80N·m；變流器輸出電流的頻率逐漸下降，但幅度基本不變；定子側(cè)電網(wǎng)的輸入有功功率和視在功率都穩(wěn)定在約14.5kW（kV·A），變流器的瞬時(shí)視在功率從約8.5kV·A逐漸減小。其中在0.9～1s時(shí)間段，由于系統(tǒng)設(shè)定的加速度比較大，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)差功率已經(jīng)不夠維持轉(zhuǎn)子側(cè)的電流了，變流器開始向轉(zhuǎn)子繞組注入有功功率。

2）在1～2s時(shí)間段。電機(jī)以略低于同步速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡；定子側(cè)輸入功率穩(wěn)定在約8.5kW，變流器功率小于500V·A。

3）在2～2.5s。系統(tǒng)繼續(xù)加速到接近1.5倍同步速，變流器向轉(zhuǎn)子繞組輸入有功功率，最大約5kW。

4）在2.5～3.5s時(shí)間段。系統(tǒng)處于超同步穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，變流器輸入有功功率約3kW，定子側(cè)輸入有功功率約8.5kW，即電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率約11.5kW。在這種狀態(tài)下，雖然電機(jī)的實(shí)際輸出功率已經(jīng)超過了其額定值，但定轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際工作電壓、電流和頻率均沒有超過額定值；因此，只要調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度足夠，長期運(yùn)行在這種狀態(tài)下是沒有問題的。

5）減速段。3.5～4.5s。電磁轉(zhuǎn)矩約7N·m，定子側(cè)輸入功率約1kW；從圖5可以看出：大約在3.8s電機(jī)越過同步速；變流器功率小于500W。

6）爬行階段。4.5s以后。在此時(shí)間段，電機(jī)轉(zhuǎn)速約5rad／s；定子側(cè)輸入功率約8.5kW，轉(zhuǎn)子側(cè)輸出轉(zhuǎn)差功率約5kW。

7）在整個(gè)運(yùn)行周期中，變流器最大瞬時(shí)功率約8.5kV·A。在爬行階段，輸入定子繞組的功率不小，電機(jī)輸出的機(jī)械功率不大，變流器承受較大的轉(zhuǎn)差功率，系統(tǒng)的損耗比較大。另外，從圖7中還可以看出，在整個(gè)運(yùn)行周期中，定子側(cè)的無功功率始終近似為零。

4.3 單雙饋混合啟動模式仿真

雙饋調(diào)速系統(tǒng)采用單雙饋混合啟動模式時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器仿真的速度給定和其它設(shè)置與標(biāo)準(zhǔn)雙饋調(diào)速直接啟動模式相同。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于或等于同步速的一半時(shí)采用單饋倒拖模式，否則采用標(biāo)準(zhǔn)雙饋模式。為簡單起見，這里只研究變流器的瞬時(shí)視在功率，仿真波形如圖9所示。圖9中顯示：在0.5s時(shí)系統(tǒng)由單饋模式切換為雙饋模式；在4.2s時(shí)由雙饋模式切換為單饋模式。

圖9 混合啟動模式變流器瞬時(shí)視在功率波形Fig.9 Hybrid startup mode converter instantaneous power waveform

從圖9可以看出：采用單雙饋混合啟動模式的變流器瞬時(shí)功率容量最大值只有約5.3kV·A；在爬行階段變流器功率約1.6kV·A。對比圖8可以得出如下結(jié)論：采用單雙饋混合啟動模式提升機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)的變流器最大功率容量可以減小約38%。另外，在爬行段，由于消除了調(diào)速系統(tǒng)多余的轉(zhuǎn)差功率交換，還可以提高調(diào)速系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

5 結(jié)論

提升機(jī)交－直－交雙邊PWM變流器雙饋調(diào)速系統(tǒng)采用單雙饋混合啟動模式，雖然控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要略復(fù)雜一點(diǎn)，但可以有效地降低變流器的功率容量和調(diào)速系統(tǒng)的造價(jià)；另外，雙饋調(diào)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)用較低電壓等級的變流器拖動較高電壓等級的電機(jī)，還可以有效提升現(xiàn)有電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率容量；在現(xiàn)有煤礦中高壓交流提升機(jī)技術(shù)改造中具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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