洛陽(yáng)中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

目前礦井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)主要采用繞線異步電動(dòng)機(jī)、鼠籠異步電動(dòng)機(jī)、電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)等。其中，繞線異步電動(dòng)機(jī)主要用于轉(zhuǎn)子切電阻系統(tǒng)，已逐步被淘汰；鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的低速性能及轉(zhuǎn)矩輸出與同步電動(dòng)機(jī)相比較差，一般用于中小功率的提升機(jī)；電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，多用于大功率提升機(jī)，但是電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)有碳刷滑環(huán)并需要配備專(zhuān)門(mén)的勵(lì)磁裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，保養(yǎng)維護(hù)困難，勵(lì)磁損耗大。隨著永磁體材料技術(shù)的逐漸成熟，以及針對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)不斷進(jìn)步，電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效率、轉(zhuǎn)矩輸出能力強(qiáng)、低速性能好等優(yōu)點(diǎn)不斷被放大，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，并且這些優(yōu)點(diǎn)可以適應(yīng)礦井提升機(jī)工況。

傳統(tǒng)的同步電動(dòng)機(jī)矢量控制方案主要有轉(zhuǎn)子磁鏈定向法和氣隙磁鏈定向法，這 2 種方法都是令d軸電流等于 0。其中，轉(zhuǎn)子磁鏈定向法隨著功率增大，功率因數(shù)會(huì)不斷降低，適用于小功率永磁電動(dòng)機(jī)；氣隙磁鏈定向法需要隨著負(fù)載變化不斷調(diào)整勵(lì)磁電流，以保證磁場(chǎng)和功率因數(shù)恒定，多用于電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)[1]。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制利用磁阻轉(zhuǎn)矩可以作為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，提高了轉(zhuǎn)矩輸出能力，同時(shí)能夠保證電動(dòng)機(jī)較高的功率因數(shù)。根據(jù)對(duì)基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的id=0 控制和最大電流轉(zhuǎn)矩比控制的特點(diǎn)對(duì)比[2]，后者更適合大功率提升機(jī)工況。

提升機(jī)要求快速加減速以保證生產(chǎn)效率，啟車(chē)開(kāi)閘瞬間要求迅速建立與負(fù)載相匹配的轉(zhuǎn)矩，以避免溜車(chē)或產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)速超調(diào)。通過(guò)合理設(shè)置速度環(huán)參數(shù)或改進(jìn) PI 調(diào)節(jié)器可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)[3-4]，但精確調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)比較困難，且系統(tǒng)復(fù)雜。筆者采用負(fù)載觀測(cè)器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩前饋控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并大大加快了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。

1 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

永磁電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

由式(1)、(2)可得

式中：Pn為極對(duì)數(shù)；id、iq分別為定子繞組的d、q軸電流；Ψ d、Ψ q分別為d、q軸的磁鏈；Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ld、Lq分別為d、q軸電感；α為定子電流與轉(zhuǎn)子夾角。

式(3)可以分為 2 部分，第一部分即PnΨrissinα，代表定子三相合成磁場(chǎng)與永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩；第二部分即表示永磁電動(dòng)機(jī)凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。從式中可以看出，當(dāng)α=0～π/2 時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)α=π/2～π 時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

這些女人在城里呆過(guò)之后，就更像女人了，跟他們?cè)诔抢锎蚬r(shí)看到的城里女人一模一樣，身上總有一股撩人兒的香味，就很像他們意淫過(guò)的對(duì)象；而且她們?cè)诖采弦不咏?jīng)賊透，不像過(guò)去那樣是個(gè)悶葫蘆，從頭到尾不吭一聲，現(xiàn)在動(dòng)一動(dòng)就叫，叫得男人心花怒放，感覺(jué)自己更像個(gè)男人了。這一點(diǎn)，是哪個(gè)男人都喜歡的。

α在 π/2～π 這個(gè)區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)角度能使單位電流輸出最大的電磁轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)式(4)計(jì)算得出α值。

解式(4)可得

對(duì)于凸極性電動(dòng)機(jī)，求出β后充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)定子電流一定時(shí)產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制框圖如圖 1 所示。根據(jù)式(6)、(7)對(duì)電流給定值進(jìn)行分解，計(jì)算出id、iq的給定值，反饋電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得出id、iq的反饋值，給定值與反饋值經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓調(diào)制波，最后由PWM 模塊控制逆變器輸出所需電壓。坐標(biāo)變換角度由磁鏈觀測(cè)器計(jì)算得出，磁鏈觀測(cè)器低速采用電流模型，高速采用電壓模型。系統(tǒng)加入前饋電壓可提高電流環(huán)的響應(yīng)速度。

2 永磁電動(dòng)機(jī)負(fù)載觀測(cè)器

提升機(jī)開(kāi)閘一瞬間相當(dāng)于突加負(fù)載，如果不做處理容易造成溜車(chē)。通常的做法是在開(kāi)閘前，讓變頻器預(yù)先控制電動(dòng)機(jī)輸出和負(fù)載方向相反的堵轉(zhuǎn)力矩，這樣雖然有效防止了溜車(chē)，但由于負(fù)載大小無(wú)法觀測(cè)，給定力矩與實(shí)際負(fù)載不匹配，會(huì)造成開(kāi)閘后絞車(chē)上沖的問(wèn)題。要想徹底解決這個(gè)問(wèn)題，需要加快電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，在開(kāi)閘后迅速建立與負(fù)載相匹配的轉(zhuǎn)矩，相當(dāng)于要解決提升機(jī)負(fù)載擾動(dòng)的問(wèn)題。

圖1 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制框圖Fig.1 Block diagram of control via maximum ratio of torque to current

電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；D為阻尼系數(shù)。

一個(gè)控制周期內(nèi)認(rèn)為轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，

系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)方程為

式中：K1、K2為反饋增益系數(shù)。

誤差方程為

系統(tǒng)特征方程為

假設(shè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的極點(diǎn)為λ1、λ2，可以求出

根據(jù)式(13)、(14)可以得出，負(fù)載觀測(cè)器控制框圖，如圖 2 所示。根據(jù)式(18)、(19)可以求出K1、K2，圖 2 中轉(zhuǎn)速偏差取觀測(cè)值減去實(shí)際值，因此K1、K2取負(fù)值。

圖2 負(fù)載觀測(cè)器控制框圖Fig.2 Block diagram of control of load observer

沒(méi)有負(fù)載觀測(cè)器時(shí)，只有在轉(zhuǎn)速偏差出現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩給定值，從而控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩輸出完全依賴(lài)速度調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度。負(fù)載觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩環(huán)上加入前饋控制，大大加快轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，可以有效解決提升機(jī)負(fù)載擾動(dòng)問(wèn)題，并且使整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更好。

3 仿真

搭建永磁電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制仿真模型，模擬提升機(jī)工況運(yùn)行。加入負(fù)載觀測(cè)器模塊，通過(guò)對(duì)比負(fù)載觀測(cè)器投入前后系統(tǒng)運(yùn)行情況，證明負(fù)載觀測(cè)器的有效性。采用實(shí)際項(xiàng)目所用電動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行仿真，電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如表 1 所列。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Motor parameters

假設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2 000 kg·m2，模擬提升機(jī)滿(mǎn)載加速運(yùn)行曲線如圖 3、4 所示，圖 3 為轉(zhuǎn)速波形，圖4 為電流波形。從波形上看，反饋速度很好地跟隨了給定速度，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 轉(zhuǎn)速波形Fig.3 Velocity waveform

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在 10% 轉(zhuǎn)速時(shí)，突加 100% 額定負(fù)載，觀察轉(zhuǎn)速響應(yīng)。未加入負(fù)載觀測(cè)器時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線如圖 5 所示，負(fù)載擾動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速下降了 5 r/min，在 0.8 s 后轉(zhuǎn)速恢復(fù)。加入負(fù)載觀測(cè)器后，轉(zhuǎn)速曲線如圖 6所示，負(fù)載擾動(dòng)時(shí)下降了 1.5 r/min，在 0.1 s 后轉(zhuǎn)速恢復(fù)?？梢钥闯?，加入負(fù)載觀測(cè)器后大大加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高了抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

圖4 電流波形Fig.4 Current waveform

圖5 未加入負(fù)載觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Velocity curve without load observer

圖6 加入負(fù)載觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速曲線Fig.6 Velocity curve with load observer

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

整個(gè)提升機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 3 所示。變頻器是整個(gè)控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備，PLC 給變頻器啟停、調(diào)速命令，變頻器將電流、轉(zhuǎn)速、功率等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給 PLC，也可以將這些數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳遞到遠(yuǎn)程診斷中心，進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)或故障處理。

圖7 提升機(jī)電控拓?fù)鋱DFig.7 Topology of electric control system of mine hoist

永磁電動(dòng)機(jī)效率比異步電動(dòng)機(jī)高 2%～5%，功率越小效率差的越多，且永磁電動(dòng)機(jī)效率隨負(fù)載率變化較小，異步電動(dòng)機(jī)工作在 70% 功率以下效率降低的比較多。以 1 000 kW 電動(dòng)機(jī)為例，異步電動(dòng)機(jī)效率為 94.0%，永磁電動(dòng)機(jī)效率為 96.5%，兩者效率相差2.5%，如果考慮到運(yùn)行功率一般在額定功率的 80%左右，根據(jù)效率曲線圖兩者效率差值約為 4.0%。假設(shè)每年僅有一半時(shí)間運(yùn)行處于 80% 功率狀態(tài)下，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)每年將節(jié)約電能 140 160 kW·h，節(jié)能收益十分可觀。

結(jié)合永磁電動(dòng)機(jī)良好的低速性能及負(fù)載觀測(cè)器功能，可以實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)駐車(chē)。良好的抗負(fù)載擾動(dòng)性能減小了提升機(jī)啟車(chē)速度超調(diào)。停車(chē)時(shí)采用精確的位置閉環(huán)控制，可以在 0 速電氣制動(dòng)后再抱閘，實(shí)現(xiàn)了無(wú)沖擊停車(chē)。

在某煤礦副井提升機(jī)對(duì)原繞線異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了永磁變頻改造，改造前后對(duì)比如表 3 所列。

表3 改造前后對(duì)比Tab.3 Comparison before and after reconstruction

現(xiàn)場(chǎng)提升機(jī)運(yùn)行曲線如圖 8 所示，加速時(shí)電流、轉(zhuǎn)速示波器實(shí)時(shí)曲線如圖 9 所示。從圖 8、9 可以看出，速度曲線平滑，無(wú)明顯波動(dòng)及超調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定；電流曲線動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，實(shí)際轉(zhuǎn)速可以在負(fù)載擾動(dòng)、加減速時(shí)迅速跟隨轉(zhuǎn)速指令；穩(wěn)態(tài)時(shí)電流曲線平穩(wěn)，電流波動(dòng)在 1 A 左右。

圖8 提升機(jī)運(yùn)行曲線Fig.8 Operational curve of mine hoist

圖9 加速時(shí)電流、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)曲線Fig.9 Realtime curve of current and velocity on accelerating

永磁電動(dòng)機(jī) 50 Hz 時(shí)，電流、電壓調(diào)制波、同步角度通過(guò)變頻器 AO 通道輸出后，采用示波器觀測(cè)如圖 10、11 所示，圖 10 為電動(dòng)狀態(tài)，圖 11 為發(fā)電狀態(tài)。為了提高直流母線電壓利用率，電壓調(diào)制波加入了 3 次諧波，所以相電壓顯示為馬鞍形。從圖 10 可以看出，同步角 0°與電壓調(diào)制波 0°重合，而電流與電壓調(diào)制波相差大約 10°左右，可計(jì)算得此時(shí)功率因數(shù)約為 0.984。從圖 11 可以看出，電流與電壓調(diào)制波相差大約 190°，可計(jì)算得此時(shí)功率因數(shù)約為-0.984。由此可知，不論在電動(dòng)狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)都具有較高的功率因數(shù)。

圖10 電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行波形Fig.10 Operational waveform in electric drive mode

圖11 發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行波形Fig.11 Operational waveform in generating model

5 結(jié)論

根據(jù)永磁電動(dòng)機(jī)在效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩輸出等方面的性能優(yōu)勢(shì)，結(jié)合提升機(jī)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)節(jié)能、動(dòng)態(tài)性能等方面要求，研究其在礦井提升機(jī)上的應(yīng)用。通過(guò)仿真及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況可得出以下結(jié)論：

(1)采用了最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制方法，該方法充分利用了永磁電動(dòng)機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩，加強(qiáng)了單位電流的轉(zhuǎn)矩輸出能力；

(2)根據(jù)永磁電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程，搭建了負(fù)載觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩前饋控制，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；

(3)永磁電動(dòng)機(jī)效率高，并且電動(dòng)機(jī)效率隨負(fù)載變化較小，結(jié)合提升機(jī)連續(xù)運(yùn)行的工況，節(jié)能收益十分可觀；

(4)充分利用永磁變頻系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低速性能好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)的電氣制動(dòng)駐車(chē)及無(wú)沖擊啟動(dòng)和停車(chē)，減小了系統(tǒng)機(jī)械沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備壽命。