矿井提升机矢量变频控制技术的运用研究

付志鹏

（山西阳泉盂县跃进煤业有限公司， 山西 阳泉 045100）

1 提升机矢量控制变频调速原理分析

一般来说，提升机矢量控制变频的核心内容就是控制电动机物理模型坐标转换。为了实现交流电动机物理模型转换为直流电动机物理模型，具体实施步骤可以概括如下：

1）实现3/2转换：在静止的坐标系下，把三相坐标系的交流定子电流按照一定的转化程序等效的转化为等效的两相坐标系中的交流电流[1]。

2）实现2s/2r转换：将通过以上步骤得到的两相交流电流按照设定好的程序转化为两相旋转坐标系中的励磁电流和电枢电流。转换步骤如图1所示。

图1 电流转换图

从上图可以看出，输入的是三相交流电流，输出的是转速，这就可以等效为一台直流电动机。工程实践中可以采用控制直流电动机的方法，求出所需控制量的值，再经过一个逆转化的程序来实现控制交流电动机的目的。在坐标系的转换过程中，实质是对磁动势空间矢量的坐标进行转换，可以实现这种转换的控制系统称为矢量控制系统[2]。

2 矿井提升机矢量变频设计难点

在煤矿生产过程中提升系统十分复杂，矿井的提升系统主要由变频系统、井筒信号接受系统、硬件安全回路系统、液压自动系统、人机交换系统、主控系统六部分组成[3]。其中井筒信号接受系统主要由行程开关组成，液压自动系统主要核心部件是液压泵站，主要作用是实现对缠绕钢绳的滚筒实行抱闸制动。提升系统结构图如图2所示。

图2 矿井提升系统结构示意图

在进行矿井提升变频设计中存在诸多难点。可以概括为以下三点：

1）网侧技术难点。从输入功率因数角度看，矿用高功率电气设备，都希望具有高功率因数，尤其是对于中压传动系统，设备在运行过程中，功率可以达到数千瓦，这就对于输入侧的功率因数提出了很高的要求。从网侧电流畸变角度看，在变频系统中，整流器是必备元件，而整流器的作用就是从电网侧吸取畸变电流，这就造成了输入电压波会产生缺口，形成的畸变电压和电流会导致设备出现故障。

2）电动机侧技术难点。从电压变化率和波反射的角度观察，在交-直-交变频器逆变换中，在输出端会得到一系列的脉冲序列，这些脉冲序列的电压变化率很高。实践表明，电压变化率过高会加快电动机绕组边缘的老化，还可能造成电磁辐射，轴承断裂损坏等现象。从共模电压角度看，共模电压的本质是由逆变器和整流器开关作用，叠加开关噪音后的零序电压。如果零序电压没有采取有效措施进行控制，其会在电动机的中性点和大地之间形成较高的对地电压，对地电压的存在，造成电动机绕组之间电压的加大，最终导致不同相电压之间绕组绝缘层的老化。

3）开关器件的限制和传动系统的整体要求。从开关器件的限制角度看，矿用提升机的开关器件要求在控制成本的同时需要有足够的耐压能力和良好的散热性能，煤矿为了实现高压需求，需要采用拓扑结构，采用拓扑结构后首先需要解决的就是均压难题[4]。从提升机传动系统的整体要求看，提升系统的硬件设计需要满足高效率、低损耗、安全运行时间长、设备维护成本低的要求。同时，在某些特殊环境下，提升机传动系统还应具有高动态性能能力、再生制动能力以及四象限运行能力。

3 矿井提升机矢量变频设计分析

3.1 整流器设计

整流器的作用是接受能量，是电力变换的开始。需要进行设计的变频器负载主要是矿用提升机的拖动电动机，提升机的转矩可以把提升机负载视为恒转矩负载。由于提升机使用频率和电动机的启停频率很高，正反转切换频繁，加之电动机功率很大，设计后的变频器应该要满足节能特性，如果进行设计后的变频器具备四象限运行能力和将制动电能回馈到电网的能力，将满足上述要求。针对矿井提升机矢量变频设计中的网侧技术难点，可以确定需要进行设计的整流器的拓扑结构和整流方式。电网电压波形中存在着一定的谐波，并且电压波形不是标准的正弦波，这就导致在中压传动系统中，整流器从电网中吸取电能较为困难，针对这一问题，在整流器设计过程中，可以将每个整流桥的供电电源设计为三个二次绕组。通过这种整流桥供电形式的设计可以实现如下目的：通过移相变压器结合PWM整流，消除变压器一次侧的 3、5、7、11、13次谐波电流，高于 21次的谐波可以直接采用滤波电容加以抑制，一次侧17次和19次谐波电流可由整流器来消除；有效解决了高压对整流器开关的影响，降低整流器开关器件的耐压要求[5]。设计整流管时为了把能量回馈到电网和消除变压器一次侧的17、19次谐波，这里不能采用二级管整流，而采用性能更稳定的三相桥式全控整流，整流器的开关器件选择IGBT，设计完成后采用PWM技术进行整流控制。整流器的拓扑结构设计，如图3所示。

3.2 逆变器设计

逆变器是变频器的输出端，逆变器的主要作用是将经过整流器整流后的直流电源转换为交流电源（电压和频率可变）。随着科技的发展，开关器件的耐压能力和开关能力都有了很大的提高，并且在中高压领域出现了具有多种逆变器拓扑结构，这些拓扑结构可以根据煤矿不同的负载情况进行选择[6]。在进行逆变器设计过程中，为了改善输出波形的质量和增加逆变器的变压容量，原有的二极管箝位式三电平逆变器不能满足实际生产需求，可以将二极管箝位式三电平逆变器拓展为四电平、五电平逆变器，经过拓展后的逆变器的每个桥臂由六个（五电平逆变器是八个）全控开关器和与之相应的箝位二极管，线路中的直流电压由三个（五电平逆变器是四个）等容电容分担，这种改进有效地改善了输出波形，增加了逆变器容量，如图4所示。

图3 整流器拓扑结构设计

图4 四电平、五电平逆变器

4 结论

矿井提升机在煤矿生产中得到广泛应用，是进行煤矿生产的必不可少的设备之一。进行矿井提升机的矢量变频改造可以有效解决提升机在煤矿生产过程中耗电量大的难题。通过分析矿井提升机矢量变频技术改造的难点，对整流器和逆变器进行设计，可实现对提升机的变频改造。