提高变频器驱动型提升机运行稳定性的策略研究

闫 珂

（大同煤矿集团大斗沟煤业有限公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，根据节能减排所提出的需求，矿井提升机所采取的驱动系统已经从工频转变为变频，这种转变不仅可以增强提升机的节能性，而且可以使其具备调速性能，因此，对于提升机而言，变频器所具有的性能对其运行有着直接的影响[1-2]。

但是，实际开采的矿井大多处于偏远地区，从配电网的层面来讲，在配电网的末部，距离较长的输电线将会使电网的等值阻抗持续扩大，甚至会产生弱电网的特征。而在对提升机变频器进行设计的过程一般都是处于理想电网中来进行，即不对系统内存在的电网阻抗进行考虑，当该阻抗数值过大时，系统运行的实际性能将会与预期存在较大的区别，甚至会使变频器失去稳定性。提升机系统就会产生震动，这不仅会对矿井的生产活动造成影响，而且会产生严重的风险问题，因此，在对该系统进行设计的时候必须充分考虑电网阻抗所产生的影响，确保系统具备较强的适应性，即系统的稳定域[3-4]。

本文首先针对该提升机的控制系统进行分析，并建立起有效的模型，并根据该模型来研究等值电感对系统所产生的影响，为了解决该系统在传统控制模式下不具备较强稳定域的问题，引进了权重前馈控制法。该方法可以使系统的稳定域得到极大提升，确保弱电网背景下该提升机具备较强的稳定性。最后，建立有效的实验系统，对控制方案及理论分析进行有效的验证[5-6]。

1 创建变频器的数学模型

图1 所示为该提升机所运用的主电路拓扑图。交流电源首先通过开展整流操作来将其转换成为直流电压Udc，然后再借助变频器所输出的交流电来带动提升机的运动。在生成相应的控制指令之后，通过这些指令来得到逆变输出电压所具有的给定值，即u*out，并将该数值与实际数值uout进行对比，从而取得误差信号，然后再利用谐振控制器来得到所需的输出量，并将其与滤波作用之后的并网点的电压相互叠加，与三角载波相互比较分析，以取得变频器内各个开关所需的信号。值得关注的是，在进行叠加之后，变频器的启动电流不断降低、启动性能不断增加，这就是电网电压前馈[7-8]。

图1 变频器驱动型提升机电路拓扑

图1 中：Ug为电网电压，Lg、Rg为电网等值阻抗的电感及电阻分量，upcc为并网电压，Udc为整流后的直流电压，uin为变频器交流一侧的逆变输出电压，RL、L为滤波器存在的等值电阻及电感，uout为提升机一端的电压，iout为变频器的输出电流，M为电机，GF（S）为电压采样低通滤波器，Gi（S）为电流控制器，u*out为变频器输出电压的设定值，SPWM正弦脉调制环节。

根据图1 中的各个变量之间的关系来得到提升机的控制系统图，见下页图2。

图2 中，E（S）为偏差，Gg（S）为电网阻抗存在的拉普拉斯变换，Ppwm（S）为正弦脉调制过程中存在的延迟，GP（S）为提升机的数学模型。

Gg（S）、GF（S）、Gpwm（S）和GP（S）的表达式：

图2 变频器驱动型提升机控制系统框图

式中：Ts为数字控制算法的执行周期；ωc为信号采样低通滤波器所具有的截比频率；Q为品质因数；Lm、Rm为折算结束后提升机的电机电感及电阻。

令D（S）=1-GF（S）Gpwm（S）、GL（S）=1/（RL+Ls），根据图2 可以得到的变频器输出电压的偏差：

式（5）中存在的极点主要为提升机控制系统中的闭环极点，通过运用这一极点可以对弱电网下系统具有的稳定域进行分析。

2 弱电网背景下系统具有的稳定域

2.1 采用传统模式进行控制的稳定域

为了对驱动型提升机系统在弱电网背景下所具有的稳定域进行分析（见图2），首先要设定调速系统的各个参数：电网电压Ug为220 V，额定电流I1为50 A，控制系统频率fc为5 000 Hz，输出滤波电感L为0.8 mH，滤波电感电阻R1为5 mΩ。

通过式（5）的计算可以得出系统所具有的闭环极点，并将电网存在的等值电感作为其变化量，依靠MATLAB 来取得相应的闭环跟轨迹，如图3 所示。可知，当Lg提升至0.2 mH 的时候，系统的闭环极点将逐渐转移到圆的边界，此时系统将会保持稳定的状态。因此，在采用传统控制模式的时候，该系统在弱电网下不具备较大的稳定域，仅仅是[0，0.2]mH，这就表明：在处于较大电网阻抗的工况下，变频驱动型提升机将会出现振动现象，进而对系统的运行造成极大的影响。

2.2 分析系统改良之后的稳定域

图3 弱电网下采用传统控制策略时变频器驱动型提升机的稳定域分析

通过上述所开展的分析可知，如果提升机采取了传统的控制模式，其不具有较大的稳定域，为了断扩大该稳定域，系统采用了权重前馈的控制模式，其原理见图4。该模式与传统的模式存在着较大的差别，在前馈通道中将G（FS）与权重因子KW相乘，其变化维持在0～1 之间，根据相关研究可知，系统的稳定域将会随着衰减因子的减小而逐渐增加，但是其速率也会越差，因此，在确定衰减因子的时候，必须对系统运行具有的稳定性及效率进行充分考虑。在保证其他参数固定不变的时候，当KW的数值等于0.75 的时候，系统将会形成相应的闭环根轨迹，如图5 所示。由此可知，此时该系统所具有的稳定域将会不断扩大。而在实际应用中，应当更加重视系统的稳定域，尽可能降低权重因子。

图4 基于权重前馈的变频器驱动型提升机控制系统框图

图5 弱电网下采用改进控制策略时变频器驱动型提升机的稳定域分析

3 实验验证

为了对上述理论分析的科学性进行验证，本文通过建立实验系统来检验理论分析的科学性，详见图6—图10。

图6 弱电网下采用传统控制策略时变频器输出电压实验结果

采取传统控制措施之后，在电网等值电感Lg达到0.25 mH 之时，变频器的输出电压见图6，由此可知，该输出电压产生了严重的振荡，系统运行开始不稳定，此时提升机所具有的转速见下页图7。可见，提升机的转速会随着电压的振荡而出现剧烈的振荡，对矿井生产的安全性造成了极大的影响。

为了进行有效对比分析，在运用权重前馈之后，当Lg达到1.15 mH 时，变频器的输出电压详见图8，由此可知，该输出电压具备较好的正弦度，此时提升机所具有的转速见图9，可知该变频器驱动的提升机具有稳定的转速，试验结果显示权重前馈控制措施的应用可以极大提升弱电网背景下系统的稳定域，证实了上述研究的科学性与权重前馈控制措施的有效性。

图10 所表示的为提升机运用改良控制措施之后的提速效果，由此可知，当关于转速的指令产生变化时，提升机应当对其转速进行适当的调整，之后再恢复稳定，并且在该过程中提升机具有稳定的转速。

图7 弱电网下采用传统控制策略时提升机转速实验结果

图8 弱电网下采用改进控制策略时变频器输出电压实验结果

4 结语

对于现阶段矿井生产所运用的变频器驱动提升机，通过对其在弱电网背景下所具有的稳定域进行分析可以得出，在以往采取的控制方案中，该类提升机不具有较大的稳定域，为了扩大弱电网下系统的稳定域，本系统采取了权重前馈控制方案，通过进行分析发现，在采取该方案之后处于弱电网背景下系统所具有的稳定域就会取得较大的增加。最后创建了一个稳定的试验体系，其结果显示上述所进行的分析具有较强的科学性、权重前馈的控制策略具有较高的有效性。

图9 弱电网下采用改进控制策略时提升机转速实验结果

图10 弱电网下采用改进控制策略时提升机调速实验结果