楊梟，　厲彥江，　郭單

(1.北京礦冶研究總院， 北京　100160；2.東北大學 流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室， 遼寧 沈陽　110004)

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礦山電力牽引系統(tǒng)主動熱均衡控制方法

楊梟1，厲彥江1，郭單2

(1.北京礦冶研究總院， 北京100160；2.東北大學 流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室， 遼寧 沈陽110004)

針對礦山電力牽引系統(tǒng)的發(fā)熱問題，提出一種礦山電力牽引系統(tǒng)主動熱均衡控制方法，即通過實時反饋系統(tǒng)的溫度信號，完成對電動機定子電流幅值、驅動系統(tǒng)開關頻率等參數(shù)的在線自調(diào)節(jié)；提出一種基于溫度反饋的d，q軸電流矢量優(yōu)化計算方法，使系統(tǒng)運行于全局效率最大的工作特性曲線；基于15 kW永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺對礦山電力牽引系統(tǒng)主動熱均衡控制方法進行了可行性驗證。實驗結果表明，該方法可在保證礦山電力牽引系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的同時，降低系統(tǒng)的熱點峰值。

礦山電力牽引系統(tǒng)； 主動熱均衡控制； 永磁同步電動機； 驅動系統(tǒng)； 效率優(yōu)化

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0　引言

礦山電力牽引系統(tǒng)在礦山生產(chǎn)運輸中必不可少，一般由體積小、重量輕、效率高的永磁同步電動機及其驅動系統(tǒng)組成。隨著礦山電力牽引系統(tǒng)電磁轉矩持續(xù)增長，功率密度日益增大，發(fā)熱問題也逐漸顯現(xiàn)出來，不利于系統(tǒng)可靠運行。

礦山電力牽引系統(tǒng)的發(fā)熱來自電動機損耗和驅動系統(tǒng)損耗。電動機損耗主要包括銅損、鐵損、機械損耗等[1]。驅動系統(tǒng)損耗主要為IGBT開關損耗。目前礦山電力牽引系統(tǒng)一般采用最大轉矩電流比(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)方法[2-4]，使電動機在輸出相同電磁轉矩的條件下定子電流最小，從而減小電動機和驅動系統(tǒng)損耗[5]。但該方法未將溫度信號引入控制回路，且沒有考慮驅動系統(tǒng)開關頻率對發(fā)熱的影響，系統(tǒng)損耗降低程度有限。

本文提出一種礦山電力牽引系統(tǒng)主動熱均衡控制方法(Active Thermal Balance Method, ATBM)。該方法在MTPA方法基礎上，通過實時反饋礦山電力牽引系統(tǒng)的溫度信號，完成對電動機定子電流幅值、驅動系統(tǒng)開關頻率等參數(shù)的在線自調(diào)節(jié)，并基于溫度信號優(yōu)化電動機d，q軸電流矢量計算方法，使系統(tǒng)運行于全局效率最大的工作特性曲線。基于15 kW永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺驗證了該方法的可行性，結果表明該方法可在保證礦山電力牽引系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能基礎上，降低系統(tǒng)的熱點峰值。

1　永磁同步電動機模型及MTPA方法

圖1為以永磁同步電動機為牽引電動機的礦山電力牽引系統(tǒng)調(diào)速原理。其中Udc為電源電壓，ua，ub，uc為驅動系統(tǒng)輸出的相電壓，Si為IGBT功率開關(i=1，2，…，6)，ui為電壓空間矢量。將靜止αβ坐標系轉換成旋轉dq坐標系，dq坐標系下的電壓、轉矩方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：vd，vq分別為電動機定子d，q軸電壓；id，iq分別為電動機定子d，q軸電流；Ld，Lq分別為電動機定子d，q軸電感；R為定子電阻；ωm為電角速度；Te為電動機電磁轉矩；p為電動機極對數(shù)；Ψm為永磁體的勵磁磁鏈；TL為負載轉矩；Bm為電動機摩擦因數(shù)；J為電動機負載轉動慣量。

(a)永磁同步電動機系統(tǒng)結構(b)電壓空間矢量

圖1礦山電力牽引系統(tǒng)調(diào)速原理

將id，iq用定子電流幅值Im和電流角度δ表示：

(5)

將式(5)代入式(3)，得到定子電流幅值Im與電磁轉矩Te和電流角度δ的關系。在電磁轉矩Te一定的條件下，定子電流幅值Im僅與電流角度δ有關。因此，用定子電流幅值Im對電流角度δ求導，可得MTPA控制條件：

(6)

化簡式(6)得

(7)

因此對于永磁同步電動機，在求得最優(yōu)電流角度后，可實現(xiàn)電磁轉矩一定的情況下定子電流最小[6]。

2　驅動系統(tǒng)散熱模型

對于礦山電力牽引系統(tǒng)，其驅動系統(tǒng)的核心組件為大功率IGBT。圖2為IGBT散熱模型。IGBT發(fā)熱主要由開關損耗引起，熱量經(jīng)芯片、外殼(包含焊料、銅層和陶瓷壓制成的陶瓷金屬復合板及基板)傳遞到散熱器，再通過散熱器傳遞到周圍環(huán)境。其熱特性可用三階RC熱阻抗等效模型表示[7]：

Zthjc,T=Rthjc[1-exp(-t/τ1)]+Rthch[1-

exp(-t/τ2)]+Rthha[1-exp(-t/τ3)]

(8)

式中：Zthjc,T為從結溫Twj到環(huán)境溫度Ta的熱阻抗；τ1，τ3，τ3分別為芯片層、外殼層和散熱器層的時間常數(shù)。

圖2　IGBT散熱模型

針對IGBT的RC熱阻抗等效模型，本文采用常見的穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路[8]計算IGBT散熱系統(tǒng)的溫度，如圖3所示。其中PT，PD分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管的開關損耗；Tj,T，Tj,D分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管的溫度；Rthjc,T，Rthjc,D分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管到外殼的熱阻，Rthjc,T+Rthjc,D=Rthjc；Rthca為外殼到環(huán)境的熱阻。由于Rthca值遠大于Rthch和Rthha，所以Rthca與Rthch，Rthha并聯(lián)時可忽略不計。將IGBT的開關損耗等效為電流源，將熱阻等效為電阻，將熱阻上產(chǎn)生的溫差等效為電壓。

圖3　穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路

利用穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路可以計算驅動系統(tǒng)各點的溫度，在熱阻參數(shù)一定的條件下，驅動系統(tǒng)的溫度僅與開關損耗正相關。

3　礦山電力牽引系統(tǒng)ATBM

3.1開關頻率動態(tài)調(diào)整

[9-12]指出，隨著IGBT功率器件電壓、功率等級的提高，其對應開關損耗也加大。動態(tài)調(diào)整IGBT開關頻率可降低其開關損耗，從而實現(xiàn)主動熱均衡控制。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊，125 ℃時IGBT開關損耗為

Esw,T=Eon,T+Eoff,T=(Asw,TI2+Bsw,TI+

(9)

式中：Esw,T，Eon,T，Eoff,T分別為測試條件下單個IGBT開關1次、開通1次和關斷1次的能量損耗；Asw,T，Bsw,T，Csw,T分別為測試條件下開關損耗隨電流變化的二次擬合曲線系數(shù)；U，I分別為IGBT實際電壓、電流；Ubase，Ibase分別為IGBT參考電壓、電流；Ksw,U，Ksw,I分別為電壓、電流幅值對IGBT 開關損耗的影響系數(shù)。

此時，在1個開關周期內(nèi)IGBT平均開關損耗為

(10)

式中fsw為IGBT開關頻率。

圖4為PWM調(diào)制下IGBT開關損耗仿真結果，其中IGBT導通功率損耗Pon,T、關斷功率損耗Poff,T在全范圍內(nèi)呈周期性變化，峰值分別為30，50 W。

(a) PWM調(diào)制波形

(b) IGBT開關損耗

從式(10)可看出，調(diào)整IBGT開關頻率fsw可實現(xiàn)IGBT開關損耗的有效修正。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊中標稱電流與溫度的關系以及工作溫度范圍，確定合適的驅動系統(tǒng)溫度給定值，將紅外熱成像儀的測量溫度作為反饋值，二者差值送至雙線性曲線模塊，利用該模塊的雙線性特性產(chǎn)生IGBT開關頻率的待調(diào)整量，實現(xiàn)對IGBT開關頻率的動態(tài)調(diào)整。

3.2定子電流幅值自適應修正

內(nèi)埋式永磁同步電動機沒有轉子銅損，所以轉子內(nèi)損耗很小。當電動機拖動負載運行時，從電源輸入的電功率Pin為

(11)

式中：Pout為電動機轉軸實際輸出功率；PCu，PFe分別為電動機定子銅損和鐵損；Pmech為電動機軸承摩擦的機械損耗。

電動機軸承摩擦的機械損耗Pmech與軸承的加工精度和潤滑程度有關；電動機定子鐵損PFe與電源電壓成正比，電源電壓不變，定子鐵損也幾乎不變；電動機銅損PCu與定子電流的平方成正比，因此當電動機拖動負載運行時，降低定子電流能夠有效減少電動機損耗。

本文在MTPA方法基礎上，基于溫度反饋值，自適應修正定子電流幅值，優(yōu)化電動機d，q軸定子電流矢量計算方法，如圖5所示。其中Tj,lim為驅動系統(tǒng)溫度設定值；Tigbt，Tfwdi分別為驅動系統(tǒng)中IGBT和二極管的溫度測定值；Ploss,igbt，Ploss,fwdi分別為驅動系統(tǒng)中IGBT和二極管的開關損耗實時計算值；Ci，Cf分別為IGBT和二極管導熱系數(shù)；τel,j為環(huán)境換熱系數(shù)；|I|max為定子電流飽和限幅值。

圖5　基于溫度反饋的電動機定子電流矢量計算方法

將驅動系統(tǒng)溫度反饋值Tigbt,Tfwdi與溫度設定值做差，差值與經(jīng)驗熱阻Ci/τel,j，Cf/τel,j相乘得到開關損耗的待修正值，將求出的定子電流幅值轉換為有效值，與當前開關頻率同時帶入式(9)和式(10)，計算修正前的開關損耗，與待修正值疊加求出修正后的開關損耗。然后通過式(9)和式(10)的逆運算及飽和限幅，得到修正后的定子電流幅值|I|lim。最后，基于傳統(tǒng)MTPA方法，求出最優(yōu)電流角度和d，q軸電流來驅動電動機。

4　實驗驗證

4.1實驗平臺及方案

采用如圖6所示的15 kW永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺來驗證礦山電力牽引系統(tǒng)ATBM的可行性和有效性。該實驗平臺以TMS320F2812型DSP為核心，主要完成MTPA核心算法運算、通信等功能。協(xié)處理器采用Xilinx型FPGA和CPLD，其中FPGA主要完成AD采樣、數(shù)據(jù)存儲等功能，CPLD主要完成PWM狀態(tài)檢測、死區(qū)補償、脈沖封鎖等功能。

圖6　15 kW永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺

4.2實驗結果及分析

在負載轉矩為50 N·m的條件下，穩(wěn)態(tài)時電動機定子電流波形如圖7所示。可看出電流波形對稱且均勻。

圖7　礦山電力牽引系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流波形

采用ATBM時礦山電力牽引系統(tǒng)動態(tài)響應波形如圖8所示，其中永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行速度為1 000 r/min，之后將負載轉矩由5 N·m階躍至25 N·m，此時電磁轉矩快速響應負載轉矩變化(響應時間小于2 ms)，可以限制電動機負載突變時的轉速跌落。同時，電動機定子電流逐漸減小，直至完成對最優(yōu)電流角度的精確跟蹤。整個過程持續(xù)約10 ms。

圖8　礦山電力牽引系統(tǒng)動態(tài)轉矩、電流波形

設置電動機負載轉矩恒為71 N·m，轉速為500～1 500 r/min，轉速變步長為500 r/min。采用ATBM時，礦山電力牽引系統(tǒng)的功率損耗如圖9所示?？梢娫?00，1 000，1 500 r/min轉速條件下，系統(tǒng)均穩(wěn)定運行于全局效率最大處，功率損耗分別為818，926，1 029 W，對應的效率分別為82.1%，88.9%，91.0%。在相同的實驗條件下采用MTPA方法時，系統(tǒng)最終穩(wěn)定運行時功率損耗分別為836，1 001，1 203 W，均高于采用ATBM時的功率損耗。ATBM因引入了電動機驅動系統(tǒng)損耗模型，進一步提高了系統(tǒng)全局效率，且電動機轉速越大，與采用MTPA方法時的系統(tǒng)全局效率差異越明顯。

圖9　采用ATBM時礦山電力牽引系統(tǒng)功率損耗

采用MTPA和ATBM 2種方法時，礦山電力牽引系統(tǒng)的溫度場對比如圖10所示。采用MTPA方法時系統(tǒng)的熱點峰值為55.7 ℃，采用ATBM時熱點峰值為44.9 ℃，溫度差為10.8 ℃?？梢夾TBM通過主動調(diào)節(jié)IGBT開關頻率、限制電動機定子電流幅值等方式有效降低了礦山電力牽引系統(tǒng)的熱點峰值，從而降低了對散熱裝置的要求，保障了系統(tǒng)的可靠運行。

(a)MTPA方法(b)ATBM

圖10MTPA，ATBM 2種方法的溫度場對比

5　結語

(1) ATBM可保證礦山電力牽引系統(tǒng)的高穩(wěn)態(tài)精度，滿足復雜礦山工況的高動態(tài)響應需求。

(2) ATBM通過主動調(diào)節(jié)IGBT開關頻率、限制電動機定子電流幅值等方式，有效降低了礦山電力牽引系統(tǒng)的熱點峰值。

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Active thermal balance method of mine electric traction system

YANG Xiao1,LI Yanjiang1,GUO Dan2

(1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China; 2.State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

An active thermal balance method of mine electric traction system was proposed to solve the system heating, which completed on-line self-adjustment of motor stator current amplitude and switching frequency of driving system by returning temperature signal of the electric traction system in real time. An optimizedd,qaxis current vector calculation method based on the temperature signal was proposed, which could make the electric traction system work at working characteristic curve with the maximum overall efficiency. The method has been verified by using 15 kW permanent magnet synchronous motor speed-adjusting system. The experimental result shows the method can ensure dynamic and stable performance of the mine electric traction system and decrease hotspot safety.

mine power traction system; active thermal balance control; permanent magnet synchronous; driving system; efficiency optimization

1671-251X(2016)05-0051-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.012

2015-11-06；

2016-03-21；責任編輯：李明。

國家自然科學基金資助項目(51377020)。

楊梟(1989—)，男，遼寧沈陽人，工程師，碩士，主要從事有色金屬冶煉廠供配電及電氣自動化工程設計工作，E-mail：bjky_yx@126.com。

TD631

A網(wǎng)絡出版時間：2016-04-29 11:27

楊梟，厲彥江，郭單.礦山電力牽引系統(tǒng)主動熱均衡控制方法[J].工礦自動化，2016,42(5)：51-55.