付志鵬

（山西陽(yáng)泉盂縣躍進(jìn)煤業(yè)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045100）

1 提升機(jī)矢量控制變頻調(diào)速原理分析

一般來(lái)說(shuō)，提升機(jī)矢量控制變頻的核心內(nèi)容就是控制電動(dòng)機(jī)物理模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)物理模型轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)機(jī)物理模型，具體實(shí)施步驟可以概括如下：

1）實(shí)現(xiàn)3/2轉(zhuǎn)換：在靜止的坐標(biāo)系下，把三相坐標(biāo)系的交流定子電流按照一定的轉(zhuǎn)化程序等效的轉(zhuǎn)化為等效的兩相坐標(biāo)系中的交流電流[1]。

2）實(shí)現(xiàn)2s/2r轉(zhuǎn)換：將通過(guò)以上步驟得到的兩相交流電流按照設(shè)定好的程序轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的勵(lì)磁電流和電樞電流。轉(zhuǎn)換步驟如圖1所示。

圖1 電流轉(zhuǎn)換圖

從上圖可以看出，輸入的是三相交流電流，輸出的是轉(zhuǎn)速，這就可以等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。工程實(shí)踐中可以采用控制直流電動(dòng)機(jī)的方法，求出所需控制量的值，再經(jīng)過(guò)一個(gè)逆轉(zhuǎn)化的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制交流電動(dòng)機(jī)的目的。在坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，實(shí)質(zhì)是對(duì)磁動(dòng)勢(shì)空間矢量的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)[2]。

2 礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中提升系統(tǒng)十分復(fù)雜，礦井的提升系統(tǒng)主要由變頻系統(tǒng)、井筒信號(hào)接受系統(tǒng)、硬件安全回路系統(tǒng)、液壓自動(dòng)系統(tǒng)、人機(jī)交換系統(tǒng)、主控系統(tǒng)六部分組成[3]。其中井筒信號(hào)接受系統(tǒng)主要由行程開(kāi)關(guān)組成，液壓自動(dòng)系統(tǒng)主要核心部件是液壓泵站，主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)纏繞鋼繩的滾筒實(shí)行抱閘制動(dòng)。提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 礦井提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在進(jìn)行礦井提升變頻設(shè)計(jì)中存在諸多難點(diǎn)?？梢愿爬橐韵氯c(diǎn)：

1）網(wǎng)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)。從輸入功率因數(shù)角度看，礦用高功率電氣設(shè)備，都希望具有高功率因數(shù)，尤其是對(duì)于中壓傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，功率可以達(dá)到數(shù)千瓦，這就對(duì)于輸入側(cè)的功率因數(shù)提出了很高的要求。從網(wǎng)側(cè)電流畸變角度看，在變頻系統(tǒng)中，整流器是必備元件，而整流器的作用就是從電網(wǎng)側(cè)吸取畸變電流，這就造成了輸入電壓波會(huì)產(chǎn)生缺口，形成的畸變電壓和電流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

2）電動(dòng)機(jī)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)。從電壓變化率和波反射的角度觀察，在交-直-交變頻器逆變換中，在輸出端會(huì)得到一系列的脈沖序列，這些脈沖序列的電壓變化率很高。實(shí)踐表明，電壓變化率過(guò)高會(huì)加快電動(dòng)機(jī)繞組邊緣的老化，還可能造成電磁輻射，軸承斷裂損壞等現(xiàn)象。從共模電壓角度看，共模電壓的本質(zhì)是由逆變器和整流器開(kāi)關(guān)作用，疊加開(kāi)關(guān)噪音后的零序電壓。如果零序電壓沒(méi)有采取有效措施進(jìn)行控制，其會(huì)在電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)和大地之間形成較高的對(duì)地電壓，對(duì)地電壓的存在，造成電動(dòng)機(jī)繞組之間電壓的加大，最終導(dǎo)致不同相電壓之間繞組絕緣層的老化。

3）開(kāi)關(guān)器件的限制和傳動(dòng)系統(tǒng)的整體要求。從開(kāi)關(guān)器件的限制角度看，礦用提升機(jī)的開(kāi)關(guān)器件要求在控制成本的同時(shí)需要有足夠的耐壓能力和良好的散熱性能，煤礦為了實(shí)現(xiàn)高壓需求，需要采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后首先需要解決的就是均壓難題[4]。從提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體要求看，提升系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需要滿足高效率、低損耗、安全運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備維護(hù)成本低的要求。同時(shí)，在某些特殊環(huán)境下，提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)還應(yīng)具有高動(dòng)態(tài)性能能力、再生制動(dòng)能力以及四象限運(yùn)行能力。

3 礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計(jì)分析

3.1 整流器設(shè)計(jì)

整流器的作用是接受能量，是電力變換的開(kāi)始。需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的變頻器負(fù)載主要是礦用提升機(jī)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，提升機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以把提升機(jī)負(fù)載視為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由于提升機(jī)使用頻率和電動(dòng)機(jī)的啟停頻率很高，正反轉(zhuǎn)切換頻繁，加之電動(dòng)機(jī)功率很大，設(shè)計(jì)后的變頻器應(yīng)該要滿足節(jié)能特性，如果進(jìn)行設(shè)計(jì)后的變頻器具備四象限運(yùn)行能力和將制動(dòng)電能回饋到電網(wǎng)的能力，將滿足上述要求。針對(duì)礦井提升機(jī)矢量變頻設(shè)計(jì)中的網(wǎng)側(cè)技術(shù)難點(diǎn)，可以確定需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和整流方式。電網(wǎng)電壓波形中存在著一定的諧波，并且電壓波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，這就導(dǎo)致在中壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，整流器從電網(wǎng)中吸取電能較為困難，針對(duì)這一問(wèn)題，在整流器設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將每個(gè)整流橋的供電電源設(shè)計(jì)為三個(gè)二次繞組。通過(guò)這種整流橋供電形式的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)如下目的：通過(guò)移相變壓器結(jié)合PWM整流，消除變壓器一次側(cè)的 3、5、7、11、13次諧波電流，高于 21次的諧波可以直接采用濾波電容加以抑制，一次側(cè)17次和19次諧波電流可由整流器來(lái)消除；有效解決了高壓對(duì)整流器開(kāi)關(guān)的影響，降低整流器開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求[5]。設(shè)計(jì)整流管時(shí)為了把能量回饋到電網(wǎng)和消除變壓器一次側(cè)的17、19次諧波，這里不能采用二級(jí)管整流，而采用性能更穩(wěn)定的三相橋式全控整流，整流器的開(kāi)關(guān)器件選擇IGBT，設(shè)計(jì)完成后采用PWM技術(shù)進(jìn)行整流控制。整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。

3.2 逆變器設(shè)計(jì)

逆變器是變頻器的輸出端，逆變器的主要作用是將經(jīng)過(guò)整流器整流后的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源（電壓和頻率可變）。隨著科技的發(fā)展，開(kāi)關(guān)器件的耐壓能力和開(kāi)關(guān)能力都有了很大的提高，并且在中高壓領(lǐng)域出現(xiàn)了具有多種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)煤礦不同的負(fù)載情況進(jìn)行選擇[6]。在進(jìn)行逆變器設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了改善輸出波形的質(zhì)量和增加逆變器的變壓容量，原有的二極管箝位式三電平逆變器不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，可以將二極管箝位式三電平逆變器拓展為四電平、五電平逆變器，經(jīng)過(guò)拓展后的逆變器的每個(gè)橋臂由六個(gè)（五電平逆變器是八個(gè)）全控開(kāi)關(guān)器和與之相應(yīng)的箝位二極管，線路中的直流電壓由三個(gè)（五電平逆變器是四個(gè)）等容電容分擔(dān)，這種改進(jìn)有效地改善了輸出波形，增加了逆變器容量，如圖4所示。

圖3 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4 四電平、五電平逆變器

4 結(jié)論

礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，是進(jìn)行煤礦生產(chǎn)的必不可少的設(shè)備之一。進(jìn)行礦井提升機(jī)的矢量變頻改造可以有效解決提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中耗電量大的難題。通過(guò)分析礦井提升機(jī)矢量變頻技術(shù)改造的難點(diǎn)，對(duì)整流器和逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的變頻改造。