大功率永磁变频技术在矿井提升机上的应用研究-矿机之家

导读：针对矿井提升机重载启动、快速加减速的应用工况,结合永磁电动机效率高、低速性能好,过载能力强等优点,采用转矩输出能力强的较大转矩电流比控制,开发出一款永磁提升机专用高压变频器。为提高系统转矩响应速度,加入了负载观测器功能。经过现场应用,该变频传动系统具有高功率因数、效率高、动态性能好、启动转矩大、机械冲击小等优点。

作者：史光辉，刘涛涛

目前矿井提升机电动机主要采用绕线异步电动机、鼠笼异步电动机、电励磁同步电动机等。其中，绕线异步电动机主要用于转子切电阻系统，已逐步被淘汰；鼠笼异步电动机的低速性能及转矩输出与同步电动机相比较差，一般用于中小功率的提升机；电励磁同步电动机启动转矩大，过载能力强，多用于大功率提升机，但是电励磁同步电动机有碳刷滑环并需要配备专门的励磁装置，系统复杂，保养维护困难，励磁损耗大。随着永磁体材料技术的逐渐成熟，以及针对永磁电动机的矢量控制技术不断进步，电励磁同步电动机结构简单、效率高、转矩输出能力强、低速性能好等优点不断被放大，应用领域也在不断拓宽，并且这些优点可以适应矿井提升机工况。

传统的同步电动机矢量控制方案主要有转子磁链定向法和气隙磁链定向法，这 2 种方法都是令 d 轴电流等于 0。其中，转子磁链定向法随着功率增大，功率因数会不断降低，适用于小功率永磁电动机；气隙磁链定向法需要随着负载变化不断调整励磁电流，以保证磁场和功率因数恒定，多用于电励磁同步电动机。较大大转矩电流比控制利用磁阻转矩可以作为驱动转矩的特点，提高了转矩输出能力，同时能够保证电动机较高的功率因数。根据对基于转子磁链定向的 i_d=0 控制和较大电流转矩比控制的特点对比，后者更适合大功率提升机工况。

提升机要求快速加减速以保证生产效率，启车开闸瞬间要求迅速建立与负载相匹配的转矩，以避免溜车或产生较大转速超调。通过合理设置速度环参数或改进 PI 调节器可以加快动态响应，但精确调节器设计比较困难，且系统复杂。笔者采用负载观测器进行转矩前馈控制，系统结构简单，并大大加快了转矩响应速度。

1 较大转矩电流比控制

永磁电动机电磁转矩

永磁电动机电磁转矩方程1、2

由式(1)、(2)可得

永磁电动机电磁转矩方程3

式中：Pn 为极对数；i_d、i_q 分别为定子绕组的 d、q 轴电流；Ψ _d、Ψ _q 分别为 d、q 轴的磁链；Ψ _r为转子磁链；L_d、L_q 分别为 d、q 轴电感；α 为定子电流与转子夹角。

式(3)可以分为 2 部分，第一部分即 Pn Ψr i_s sin α，代表定子三相合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩；第二部分即

永磁电动机凸极效应产生的磁阻转矩公式

表示永磁电动机凸极效应产生的磁阻转矩。从式中可以看出，当 α=0～π/2 时，磁阻转矩为制动转矩；当 α=π/2～π 时，磁阻转矩为驱动转矩；

α 在 π/2～π 这个区域内，存在一个角度能使单位电流输出较大的电磁转矩，可以通过式(4)计算得出 α 值。

定子电流与转子夹角方程

解式(4)可得

凸极性电动机β方程

对于凸极性电动机，求出 β 后充分利用磁阻转矩，可以实现定子电流一定时产生较大的电磁转矩。较大转矩电流比的控制框图如图 1 所示。根据式(6)、(7)对电流给定值进行分解，计算出 id、i_q 的给定值，反馈电流经过坐标变换得出 i_d、i_q 的反馈值，给定值与反馈值经电流调节器输出电压调制波，最后由PWM 模块控制逆变器输出所需电压。坐标变换角度由磁链观测器计算得出，磁链观测器低速采用电流模型，高速采用电压模型。系统加入前馈电压可提高电流环的响应速度。

图1 最大转矩电流比控制框图

图1 转矩电流比控制框图

2 永磁电动机负载观测器

提升机开闸一瞬间相当于突加负载，如果不做处理容易造成溜车。通常的做法是在开闸前，让变频器预先控制电动机输出和负载方向相反的堵转力矩，这样虽然有效防止了溜车，但由于负载大小无法观测，给定力矩与实际负载不匹配，会造成开闸后绞车上冲的问题。要想彻底解决这个问题，需要加快电动机转矩响应速度，在开闸后迅速建立与负载相匹配的转矩，相当于要解决提升机负载扰动的问题。

电动机运动方程为

电动机运动方程8

式中：J 为转动惯量；ω 为角速度；T_e 为电磁转矩；T_L 为负载转矩；D 为阻尼系数。

一个控制周期内认为转矩稳定，

转矩稳定时方程

状态方程为

状态方程

系统状态观测方程为

系统状态观测方程12、13

式中：K₁、K₂ 为反馈增益系数。

误差方程为

误差方程14、15

系统特征方程为

系统特征方程16、17

假设设计系统的极点为 λ₁、λ₂，可以求出

$假设设计系统的极点为 λ1、λ2求只K1\K2$

根据式(13)、(14)可以得出，负载观测器控制框图，如图 2 所示。根据式(18)、(19)可以求出 K₁、K₂，图 2 中转速偏差取观测值减去实际值，因此 K₁、K₂取负值。

图2 负载观测器控制框图

没有负载观测器时，只有在转速偏差出现后，经过转速调节器的调节输出转矩给定值，从而控制电动机输出转矩，转矩输出完全依赖速度调节器的响应速度。负载观测器实时观测负载转矩，在转矩环上加入前馈控制，大大加快转矩响应速度，可以有效解决提升机负载扰动问题，并且使整个系统动态性能更好。

3 仿真

搭建永磁电动机较大转矩电流比控制仿真模型，模拟提升机工况运行。加入负载观测器模块，通过对比负载观测器投入前后系统运行情况，证明负载观测器的有效性。采用实际项目所用电动机参数进行仿真，电动机关键参数如表 1 所列。

表1 电动机参数

假设系统转动惯量为 2 000 kg·m²，模拟提升机满载加速运行曲线如图 3、4 所示，图 3 为转速波形，图4 为电流波形。从波形上看，反馈速度很好地跟随了给定速度，系统动态响应迅速，稳态运行平稳。

图3 转速波形

图4 电流波形

电动机运行在 10% 转速时，突加 100% 额定负载，观察转速响应。未加入负载观测器时，转速曲线如图 5 所示，负载扰动时转速下降了 5 r/min，在 0.8 s 后转速恢复。加入负载观测器后，转速曲线如图 6所示，负载扰动时下降了 1.5 r/min，在 0.1 s 后转速恢复。可以看出，加入负载观测器后大大加快了系统响应速度，提高了抗负载扰动能力。

图5 未加入负载观测器的转速曲线

图6 加入负载观测器的转速曲线

4 现场应用

整个提升机的传动控制系统如图 7 所示。变频器是整个控制系统中的核心设备，PLC 给变频器启停、调速命令，变频器将电流、转速、功率等数据实时反馈给 PLC，也可以将这些数据通过互联网传递到远程诊断中心，进行远程维护或故障处理。

图7 提升机电控拓扑图

永磁电动机效率比异步电动机高 2%～5%，功率越小效率差的越多，且永磁电动机效率随负载率变化较小，异步电动机工作在 70% 功率以下效率降低的比较多。以 1 000 kW 电动机为例，异步电动机效率为 94.0%，永磁电动机效率为 96.5%，两者效率相差2.5%，如果考虑到运行功率一般在额定功率的 80%左右，根据效率曲线图两者效率差值约为 4.0%。假设每年仅有一半时间运行处于 80% 功率状态下，单台电动机每年将节约电能 140 160 kW·h，节能收益十分可观。

结合永磁电动机良好的低速性能及负载观测器功能，可以实现电气制动驻车。良好的抗负载扰动性能减小了提升机启车速度超调。停车时采用精确的位置闭环控制，可以在 0 速电气制动后再抱闸，实现了无冲击停车。

在某煤矿副井提升机对原绕线异步电动机传动系统进行了永磁变频改造，改造前后对比如表 2 所列。

表2 改造前后对比

表2 改造前后

现场提升机运行曲线如图 8 所示，加速时电流、转速示波器实时曲线如图 9 所示。从图 8、9 可以看出，速度曲线平滑，无明显波动及超调，运行稳定；电流曲线动态响应迅速，实际转速可以在负载扰动、加减速时迅速跟随转速指令；稳态时电流曲线平稳，电流波动在 1 A 左右。

图8 提升机运行曲线

图9 加速时电流、转速实时曲线

永磁电动机 50 Hz 时，电流、电压调制波、同步角度通过变频器 AO 通道输出后，采用示波器观测如图 10、11 所示，图 10 为电动状态，图 11 为发电状态。为了提高直流母线电压利用率，电压调制波加入了 3 次谐波，所以相电压显示为马鞍形。从图 10 可以看出，同步角 0°与电压调制波 0°重合，而电流与电压调制波相差大约 10°左右，可计算得此时功率因数约为 0.984。从图 11 可以看出，电流与电压调制波相差大约 190°，可计算得此时功率因数约为-0.984。由此可知，不论在电动状态还是发电状态，系统都具有较高的功率因数。

图10 电动状态运行波形