張興國(guó)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)草垛溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037102）

引言

礦用驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的應(yīng)用，極大地提高了設(shè)備工作效率以及使用壽命，改善了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。實(shí)際上我國(guó)煤炭開采行業(yè)電量消耗巨大，而電能所占其生產(chǎn)成本的比例也比較大，因此迫切需要提高相關(guān)設(shè)備的效能。為了提高設(shè)備的運(yùn)行效率以及可靠性，逐漸發(fā)展出來的驅(qū)動(dòng)電機(jī)高壓變頻器，既可以減小啟動(dòng)電流，也可以增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻器控制系統(tǒng)發(fā)展出了矢量控制、直接扭矩控制等控制特性的變頻器。變頻器具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，解決了帶式輸送機(jī)、提升機(jī)等大型煤礦用電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)與停車沖擊大等問題。高壓變頻器的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可靠性提高、噪聲低、操作人員工作環(huán)境改善；減小沖擊，機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)；對(duì)電流載荷要求降低，啟動(dòng)電流沖擊小，不對(duì)電網(wǎng)造成較大影響；無極調(diào)速控制，方便操作，同時(shí)提高設(shè)備運(yùn)行效率[1]。

1 礦用變頻器研究現(xiàn)狀

為了提高煤礦設(shè)備的工作效率，常采用提高設(shè)備運(yùn)行速率的方法，但速度的增加使得設(shè)備對(duì)速度的控制更難。隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)、礦用提升機(jī)等設(shè)備的效率得到了極大提高，尤其是中高壓超大容量變頻器的出現(xiàn)，使礦用設(shè)備逐步向高速、重載、精準(zhǔn)控制等方向發(fā)展。一般礦用變頻器主要是指礦井、礦山所使用的變頻器，常見的設(shè)備包括提升機(jī)、帶式輸送機(jī)、大型絞車等。

由于煤炭行業(yè)設(shè)備工作環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，同時(shí)存在可燃性氣體，因此對(duì)設(shè)備的防爆能力提出了更高的要求。變頻器控制簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，因此非常適用于煤礦開采環(huán)境?；诂F(xiàn)有帶式輸送機(jī)上的異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，設(shè)計(jì)一套變頻控制器，以提高設(shè)備運(yùn)行的效能，對(duì)于保障設(shè)備使用壽命具有重要意義[2]。

2 三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型

該帶式輸送機(jī)采用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，首先需建立其數(shù)學(xué)模型，以研究提高帶式輸送機(jī)的調(diào)速性能。主要應(yīng)用矢量控制技術(shù)，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子繞組中的電流等信息與電機(jī)電磁通量等驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行矢量變換。在異步電機(jī)變頻控制的數(shù)學(xué)模型中，將其視為理想模型，需假定定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均勻且對(duì)稱，同時(shí)電機(jī)的氣隙變化規(guī)律呈三角函變化分布、忽略電磁泄漏等。

如圖1 所示，為三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，目前繞組式電機(jī)可一般包括兩種，即繞組式和籠型式，根據(jù)其物理模型可構(gòu)建電機(jī)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。其中A、B、C 分別表示電機(jī)三相靜止電極；a、b、c 分別表示旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子三個(gè)相；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以用ω 表示；θ 表示定子與轉(zhuǎn)子各相之間的夾角，夾角的微小分量用dt表示，則有關(guān)系θ=∫ωdt；異步電機(jī)在A、B、C 三個(gè)定子電極坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型可表示為ui=Rsin+pψt，其中矩陣ui表示電機(jī)各項(xiàng)定子間的電壓，in表示定子間的電流，矩陣ψt表示每相繞組的全磁鏈[3]。

圖1 三相異步電機(jī)物理模型

3 三相異步電機(jī)矢量控制原理

3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速實(shí)際上是通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)控，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出功率的控制。根據(jù)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型，建立反映電機(jī)轉(zhuǎn)矩的方程，從而建立起電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)方程。

式中：Tl為電動(dòng)機(jī)負(fù)載端轉(zhuǎn)矩；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Te=CTIaIf，其中Ia為電動(dòng)機(jī)定子各相繞組電流；If為電動(dòng)機(jī)動(dòng)子各相三繞組電流。n 為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；GD2/375 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)。

根據(jù)上述關(guān)系可以確定電動(dòng)機(jī)電流特性，是矢量控制的基礎(chǔ)與前提[4]。

3.2 矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

矢量控制的前提是需要先將電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)特性信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)矩陣的計(jì)算，矢量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等效轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩矩陣的重要方法。本技術(shù)主要基于Clark 坐標(biāo)變換，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的三相電流表示在（α、β）的兩相二維坐標(biāo)系中，與之對(duì)應(yīng)的可以將各相電流進(jìn)行拆分，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原則是iαβ=CiABC，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2 所示。

圖2 三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

3.3 矢量控制

將與M-T 垂直的方向設(shè)定為平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，首先將電動(dòng)機(jī)的定子電流分解到M-T 方向，由于兩者之間相互垂直可實(shí)現(xiàn)安全解耦，因此可實(shí)現(xiàn)像控制直流電動(dòng)機(jī)那樣控制異步電動(dòng)機(jī)。與直流電機(jī)一樣，T垂直于M 軸，如圖3 所示，為定子磁場(chǎng)矢量控制原理[5]。

圖3 定子電磁矢量控制原理

4 三電平高壓變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 變頻器的主電路結(jié)構(gòu)

如圖4 所示為三電平高壓變頻器主電路圖，三電平變頻器輸出端可實(shí)現(xiàn)三種電壓狀態(tài)的輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。根據(jù)變頻器電路圖可知，其輸入端是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的三相流橋通過并聯(lián)而形成12 脈沖整流電路。

圖4 三電平高壓變頻器主電路

該三電平變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路分布規(guī)整，可有效降低交流側(cè)輸入電流的諧波效應(yīng)，變頻器直流端設(shè)計(jì)了兩個(gè)較大的電容，電路的逆變端則設(shè)置了逆變器，該逆變器基于三相二極管技術(shù)[6]。

變頻器主電流側(cè)的電壓值表示為Udc，變頻器可輸出三種電壓，變頻器每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT 串聯(lián)和兩個(gè)續(xù)流二極管連接構(gòu)成，變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，串聯(lián)的兩個(gè)IGBT 可有效提升電路的抗沖擊能力、降低電動(dòng)機(jī)的功耗；其次，輸出由兩電平變?yōu)槿娖?，由此可使電壓變化減小和電流脈動(dòng)減小，極大縮短電機(jī)調(diào)控的響應(yīng)速率。

4.2 變頻器的工作原理

變頻器電流方向規(guī)定為從逆變器流向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方向?yàn)檎较?，系統(tǒng)中電氣設(shè)備、開關(guān)視為理想型設(shè)備，不考慮設(shè)備對(duì)電機(jī)電磁通量的影響。三電平變頻器在實(shí)際工作中需要注意設(shè)備在狀態(tài)切換時(shí)可能存在一定的時(shí)間間隔，變頻器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將該時(shí)間間隔納入考慮。如此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效防止一個(gè)開關(guān)還未完全閉合的情況下將另外的開關(guān)打開，而導(dǎo)致一些電路設(shè)備上電壓過高而產(chǎn)生的損壞。

如圖5 所示為變頻器內(nèi)部A 相處于“I”狀態(tài)時(shí)開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，當(dāng)1、2 號(hào)開關(guān)處于接通狀態(tài)，同時(shí)3、4 號(hào)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，電路此時(shí)對(duì)電容C1 進(jìn)行充電。同理當(dāng)A 相處于“0”狀態(tài)時(shí)，2、3 號(hào)開關(guān)處于結(jié)合狀態(tài)，1、4 號(hào)開關(guān)斷開，根據(jù)電流方向的不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電容的充電，若電流是正向的，則C1 處于充電狀態(tài)；若電流為負(fù)的，則實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C2的充電。

圖5 變頻器工作原理

5 實(shí)際應(yīng)用效果分析

后期對(duì)該結(jié)構(gòu)的高壓變頻器進(jìn)行了仿真計(jì)算分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到的結(jié)果均顯示基于該矢量控制計(jì)算的三電平變頻器可有效降低設(shè)備開關(guān)頻率，降低電機(jī)輸出端電波畸變特性，因此有效降低了諧波的產(chǎn)生，提高了設(shè)備的抗干擾能力，提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，提高了設(shè)備的抗過載能力。由此說明該結(jié)構(gòu)的高壓變頻器達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)實(shí)際變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考與借鑒意義。

6 結(jié)語

研究提高礦用電機(jī)的啟動(dòng)特性、抗干擾能力對(duì)保障煤礦的生產(chǎn)具有重要意義，以現(xiàn)有礦用多電機(jī)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制為研究對(duì)象。對(duì)高壓變頻器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型與矢量控制技術(shù)，變頻器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中主要是高壓變頻器主電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)并搭建高壓變頻器，經(jīng)后期的仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果均顯示高壓變頻器達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可為后續(xù)高壓變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考，對(duì)提高保障設(shè)備的使用壽命具有重要意義。