礦井提升機矢量變頻控制技術的運用研究

付志鵬

（山西陽泉盂縣躍進煤業有限公司， 山西 陽泉 045100）

1 提升機矢量控制變頻調速原理分析

一般來說，提升機矢量控制變頻的核心內容就是控制電動機物理模型坐標轉換。為了實現交流電動機物理模型轉換為直流電動機物理模型，具體實施步驟可以概括如下：

1）實現3/2轉換：在靜止的坐標系下，把三相坐標系的交流定子電流按照一定的轉化程序等效的轉化為等效的兩相坐標系中的交流電流[1]。

2）實現2s/2r轉換：將通過以上步驟得到的兩相交流電流按照設定好的程序轉化為兩相旋轉坐標系中的勵磁電流和電樞電流。轉換步驟如圖1所示。

圖1 電流轉換圖

從上圖可以看出，輸入的是三相交流電流，輸出的是轉速，這就可以等效為一臺直流電動機。工程實踐中可以采用控制直流電動機的方法，求出所需控制量的值，再經過一個逆轉化的程序來實現控制交流電動機的目的。在坐標系的轉換過程中，實質是對磁動勢空間矢量的坐標進行轉換，可以實現這種轉換的控制系統稱為矢量控制系統[2]。

2 礦井提升機矢量變頻設計難點

在煤礦生產過程中提升系統十分復雜，礦井的提升系統主要由變頻系統、井筒信號接受系統、硬件安全回路系統、液壓自動系統、人機交換系統、主控系統六部分組成[3]。其中井筒信號接受系統主要由行程開關組成，液壓自動系統主要核心部件是液壓泵站，主要作用是實現對纏繞鋼繩的滾筒實行抱閘制動。提升系統結構圖如圖2所示。

圖2 礦井提升系統結構示意圖

在進行礦井提升變頻設計中存在諸多難點。可以概括為以下三點：

1）網側技術難點。從輸入功率因數角度看，礦用高功率電氣設備，都希望具有高功率因數，尤其是對于中壓傳動系統，設備在運行過程中，功率可以達到數千瓦，這就對于輸入側的功率因數提出了很高的要求。從網側電流畸變角度看，在變頻系統中，整流器是必備元件，而整流器的作用就是從電網側吸取畸變電流，這就造成了輸入電壓波會產生缺口，形成的畸變電壓和電流會導致設備出現故障。

2）電動機側技術難點。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。實踐表明，電壓變化率過高會加快電動機繞組邊緣的老化，還可能造成電磁輻射，軸承斷裂損壞等現象。從共模電壓角度看，共模電壓的本質是由逆變器和整流器開關作用，疊加開關噪音后的零序電壓。如果零序電壓沒有采取有效措施進行控制，其會在電動機的中性點和大地之間形成較高的對地電壓，對地電壓的存在，造成電動機繞組之間電壓的加大，最終導致不同相電壓之間繞組絕緣層的老化。

3）開關器件的限制和傳動系統的整體要求。從開關器件的限制角度看，礦用提升機的開關器件要求在控制成本的同時需要有足夠的耐壓能力和良好的散熱性能，煤礦為了實現高壓需求，需要采用拓撲結構，采用拓撲結構后首先需要解決的就是均壓難題[4]。從提升機傳動系統的整體要求看，提升系統的硬件設計需要滿足高效率、低損耗、安全運行時間長、設備維護成本低的要求。同時，在某些特殊環境下，提升機傳動系統還應具有高動態性能能力、再生制動能力以及四象限運行能力。

3 礦井提升機矢量變頻設計分析

3.1 整流器設計

整流器的作用是接受能量，是電力變換的開始。需要進行設計的變頻器負載主要是礦用提升機的拖動電動機，提升機的轉矩可以把提升機負載視為恒轉矩負載。由于提升機使用頻率和電動機的啟停頻率很高，正反轉切換頻繁，加之電動機功率很大，設計后的變頻器應該要滿足節能特性，如果進行設計后的變頻器具備四象限運行能力和將制動電能回饋到電網的能力，將滿足上述要求。針對礦井提升機矢量變頻設計中的網側技術難點，可以確定需要進行設計的整流器的拓撲結構和整流方式。電網電壓波形中存在著一定的諧波，并且電壓波形不是標準的正弦波，這就導致在中壓傳動系統中，整流器從電網中吸取電能較為困難，針對這一問題，在整流器設計過程中，可以將每個整流橋的供電電源設計為三個二次繞組。通過這種整流橋供電形式的設計可以實現如下目的：通過移相變壓器結合PWM整流，消除變壓器一次側的 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17次和19次諧波電流可由整流器來消除；有效解決了高壓對整流器開關的影響，降低整流器開關器件的耐壓要求[5]。設計整流管時為了把能量回饋到電網和消除變壓器一次側的17、19次諧波，這里不能采用二級管整流，而采用性能更穩定的三相橋式全控整流，整流器的開關器件選擇IGBT，設計完成后采用PWM技術進行整流控制。整流器的拓撲結構設計，如圖3所示。

3.2 逆變器設計

逆變器是變頻器的輸出端，逆變器的主要作用是將經過整流器整流后的直流電源轉換為交流電源（電壓和頻率可變）。隨著科技的發展，開關器件的耐壓能力和開關能力都有了很大的提高，并且在中高壓領域出現了具有多種逆變器拓撲結構，這些拓撲結構可以根據煤礦不同的負載情況進行選擇[6]。在進行逆變器設計過程中，為了改善輸出波形的質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際生產需求，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，經過拓展后的逆變器的每個橋臂由六個（五電平逆變器是八個）全控開關器和與之相應的箝位二極管，線路中的直流電壓由三個（五電平逆變器是四個）等容電容分擔，這種改進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 整流器拓撲結構設計

圖4 四電平、五電平逆變器

4 結論

礦井提升機在煤礦生產中得到廣泛應用，是進行煤礦生產的必不可少的設備之一。進行礦井提升機的矢量變頻改造可以有效解決提升機在煤礦生產過程中耗電量大的難題。通過分析礦井提升機矢量變頻技術改造的難點，對整流器和逆變器進行設計，可實現對提升機的變頻改造。