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)備安全往返運行,要求提升機具有較高的調(diào)速性能、精度的位置控制以及可靠的安全保護[1].為了降低工業(yè)電機拖動能耗,現(xiàn)代礦井提升機多選用變頻調(diào)速的傳動方式.目前,大功率交流提升機拖動系統(tǒng)包括高壓(6 KV,10KV電壓等級)交流電機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[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聯(lián)多電平式等多種結(jié)構(gòu).

為解決機械傳感器帶來的性能、安裝、可靠性和價格等方面問題,無速度傳感器技術(shù)成為電機控制的研究熱點之一.本文以大功率鼠籠交流提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對象,介紹三電平變頻器簡化SVPWM控制算法和矢量控制策略原理,重點闡述基于全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的轉(zhuǎn)速辨識方法.

圖1 交-直-交H橋三電平變頻拖動系統(tǒng)

1 大功率鼠籠式交流提升系統(tǒng)簡介

礦井提升機需要經(jīng)常啟動、停車、正反向運行,一次提升過程中速度變化可分為5個階段:加速、勻速、減速、爬行和停車.為保證設(shè)備安全往返運行,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,同時具有可靠的安全保護.

本文中大功率鼠籠式交流提升機系統(tǒng),采用交-直-交三電平主回路結(jié)構(gòu),實現(xiàn)交流鼠籠電機定子變頻矢量控制;同時配以高性能DSP對變頻器進行控制,實現(xiàn)電機全數(shù)字轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié).鼠籠電機變頻拖動系統(tǒng)主回路如圖1所示.考慮礦井實際條件和電機容量,變頻器采用先進的交-直-交H橋三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).6KV電網(wǎng)電壓通過三相變壓器和進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,實現(xiàn)電機轉(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,實現(xiàn)能量的雙向流動[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個大矢量,6個中矢量,12個小矢量和3個零矢量.三電平電壓空間矢量圖如圖2所示,6個大矢量將空間矢量圖分為6個正三角形扇區(qū),每個扇區(qū)又被中矢量和小矢量分為4個小三角形.

三電平電壓空間矢量圖可視為由6個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)過坐標(biāo)平移將三電平電壓矢量平面簡化為兩電平電壓矢量平面,過渡時注意還需對參考電壓矢量進行修正[4].

圖2 三電平電壓空間矢量圖

圖3 簡化的三電平電壓空間矢量圖

2 無速度傳感器矢量控制技術(shù)

圖4為無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)鍵部分為磁鏈觀測器模塊以及速度觀測器模塊.

異步電機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為電機極對數(shù).

圖4 無速度傳感器矢量控制原理框圖

2.1 全階磁鏈觀測器

圖5為一種全階閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器,由開環(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由下式計算:

2)電壓模型

測量定子電壓、電流值,兩相靜止坐標(biāo)系下,定子磁鏈為:

其中:Ucomp,αβs為考慮觀測誤差后的補償量,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)子磁鏈觀測器可以看作一個兩輸入、單輸出的線性系統(tǒng):

2.2 速度觀測器

系統(tǒng)采用 基于狀態(tài)方程的直接法"來辨識速度,基本原理為ωr=ωe-ωs.同步頻率ωe可以通過對轉(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)子磁鏈表達式為:

將式(16)帶入式(15)可得:

3 運行結(jié)果

本文提出的矢量控制技術(shù)運用于某礦暗立井提升機.該提升系統(tǒng)具體參數(shù)為:主電機為防爆交流異步電機;電機功率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測波形如圖6所示.電機線電壓波形為五階梯波,接近于正弦,同時dv/dt小,可以降低對電機絕緣的沖擊以及系統(tǒng)EMI.

圖7為提升機帶負(fù)載情況下的一個提升周期中,轉(zhuǎn)速給定從零速段到加速、勻速、減速、低速爬行直至停車過程中,轉(zhuǎn)子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈角以及勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流實測波形.

圖6 電機穩(wěn)態(tài)運行線電壓波形

圖7 提升機運行波形圖

可以看出,電機加速段,在轉(zhuǎn)速達到給定前,轉(zhuǎn)矩電流很大,電機以最大加速度加速,經(jīng)過小的超調(diào)后恢復(fù)正常.等速段,由于提升機不斷上升,鋼絲繩的重量不斷下降,電機負(fù)載緩慢減小,電機轉(zhuǎn)矩電流逐漸減小.減速時,電機轉(zhuǎn)矩電流接近于零.停車階段由于抱閘,轉(zhuǎn)矩電流有小幅的回升.當(dāng)電機停止運行時,轉(zhuǎn)矩電流回零.現(xiàn)場運行結(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

采用全階轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的電機矢量控制技術(shù),實現(xiàn)了礦井交流提升系統(tǒng)的無速度傳感器運行,運行結(jié)果驗證了本文所用控制算法的正確性.該系統(tǒng)滿足提升機對運行穩(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.

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