大功率永磁变频技术在矿井提升机中的应用研究

针对矿井提升机重载启动、高速加减速的应用情况，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最大转矩电流比控制，开发了永磁提升机专用高压变频器。为了提高系统转矩响应速度，追加了负载观测器功能。现场应用表明，该变频传动系统具有高功率因数、高效、动态性能好、起动转矩大、机械冲击小等优点。

目前矿井提升机电动机主要采用绕组异步电动机、轿厢异步电动机、电励磁同步电动机等。其中，绕组异步电动机主要用于转子切电阻系统，逐渐被淘汰；鼠笼型异步电动机的低速性能和转矩输出比同步电动机差，一般用于小功率卷扬机；电励磁同步电动机起动转矩大、过载能力强，多用于大功率提升机，但电励磁同步电动机有碳刷滑环，需要配备专用励磁装置，系统复杂，维护困难，励磁损失大。随着永磁材料技术的成熟和永磁电机矢量控制技术的进步，电励磁同步电机结构简单、效率高、转矩输出能力强、低速性能好等优点不断拓展，应用领域也在不断扩大，这些优点可以适应矿井提升机的工况。

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，这两种方法均使d轴电流为0。在此，转子磁链取向法由于功率因数随着功率增大而降低，因此适合于小功率永磁电动机；气隙磁链定向法为了使磁场和功率因数保持恒定，需要根据负载的变化不断调整励磁电流，多用于电励磁同步电动机。 最大转矩电流比控制利用磁阻转矩作为驱动转矩的特征，在提高转矩输出能力的同时，可以确保电动机的高功率因数。比较了基于转子磁链方向的id=0控制和最大电流转矩比控制的特点，后者更适合大功率提升机的工况。

提升机为了确保生产效率要求快速加减速，在开启发车闸门的瞬间，为了避免溜车和大转速过冲，要求迅速建立与负荷相符的扭矩。 通过合理设置速度环参数和改进PI调节器可以加快动态响应，但难以设计出准确的调节器，系统复杂。笔者利用负载观测器进行转矩前馈控制，系统结构简单，大大提高了转矩响应速度。

1 最大转矩电流比控制

永磁电动机电磁转矩

由式(1)、式2得到

式中，Pn为极对数； id、iq分别是定子绕组d、q轴电流； d、q分别是d、q轴磁链； r是转子磁链； Ld、Lq分别是d、q轴电感； 是定子电流和转子所成的角。

公式(3)可以分为两个部分，第一部分Pnrissin表示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； 第二节(2 )。

表示永磁电机凸极效应引起的磁阻转矩。 由式可知，当=0~/2时，磁阻转矩为制动转矩； 当=/2~时，磁阻转矩为驱动转矩。

在/2~的区域中，存在每单位电流的输出为最大的角度的电磁转矩，可以通过式(4)计算出值。

解式(4)就可以得到

对于凸极性电动机，通过求出并活用磁阻转矩，可以在定子电流一定时产生最大的电磁转矩。 最大转矩电流比的控制框图如图1所示。 按照式(6)、式7 )分解电流的规定值，计算出id、iq的规定值，反馈电流经过坐标变换得到id、iq的反馈值，规定值和反馈值经过电流调整器输出电压调制波，最后，在PWM模块中输出坐标变换角度通过磁链观测器计算，磁链观测器低速采用电流模型，高速采用电压模型。 向系统施加前馈电压可以提高电流环的响应速度。

图1最大转矩电流比控制框图

2 永磁电动机负载观测器

提升机制动瞬间相当于突然加载，若不处理容易溜开。 通常，在刹车前，通过让变频器控制与电动机输出和负载方向相反的锁定扭矩，可以有效地防止打滑，但由于无法观测负载的大小，给定扭矩和实际负载不一致，刹车后绞车会上浮。 为了彻底解决这一问题，必须加快电动机转矩响应速度，制动后迅速建立与负载相符的转矩，就相当于解决了提升机负载扰动的问题。

电机的运动方程式是

式中，j是惯性力矩； 是角速度； Te是电磁转矩； TL是负载转矩； d是衰减系数。

认为在一个控制周期内转矩稳定，

状态方程式如下

系统状态观测方程

式中，K1、K2是反馈增益系数。

误差方程式如下

系统的特征方程

设设计系统的极为1、2时，可以如下求出

根据式(13 )、式(14 )，负载观测器的控制框图如图2所示。 根据式(18 )、式19 )可以求出K1、K2，在图2中，由于旋转速度偏差取从观测值中减去实际值后的值，因此K1、K2取负值。

图2负载观测器控制框图

无负载观测器时，仅在出现转速偏差后，使转速调节器的调节输出转矩达到规定值，控制电动机的输出转矩。 转矩输出完全取决于速度调节器的响应速度。 负载观测器能实时观测负载力矩，并在力矩环境中加入前馈控制，大大加快力矩响应速度，有效解决提升机负载扰动问题，且能更好地改善整个系统的动态性能。

3 仿真

永磁电机最大转矩电流比控制仿真模型，对提升机运行工况进行仿真。 增加负载观测器模块，通过比较加载观测器投入前后的系统运行情况，证明负载观测器的有效性。 用实际项目中使用的电机参数进行了仿真，电机的主要参数如表1所示。

表1电机参数

假设系统转动惯量为2，000 kg  m-2，模拟卷扬机的全加速运行曲线如图3、4所示。 图3是转速波形，图4是电流波形。 从波形上看，反馈速度很好地跟踪给定速度，系统动态响应快，稳态运行稳定。

图3转速波形

图4电流波形

以10%转速运行电动机时，突然施加100%的额定负载，观察转速的响应。 在不加入负载观测器的情况下，转速曲线如图5所示，负载干扰时的转速下降5 r/min，0.8 s后转速恢复。 装入负载观测器后，转速曲线如图6所示，负载干扰时下降1.5 r/min，0.1 s后转速恢复。 可见，增加负载观测器后，系统响应速度大幅加快，抗负载扰动能力得到提高。

图5无负荷观测器的转速曲线

图6加负荷观测器的转速曲线

4 现场应用

提升机整体传动控制系统如图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，通过互联网将这些数据传递给远程诊断中心，实现远程

图7提升机电控拓扑图

永磁电动机的效率比异步电动机高2%~5%，功率越小效率越低的情况较多，另外永磁电动机的效率随负载率的变化越小，异步电动机的工作在70%功率以下效率往往会下降。 例如，在1,000kw电动机情况下，异步电动机的效率为94.0%，永磁电动机的效率为96.5%，两者的效率相差2.5%，但考虑到运转电力一般为额定电力的80%左右，根据效率曲线图，两者的效率差约为4.0% 假设在一年只运行一半时间的80%电力状态下，一台电动机每年节约140160kw的电力，节能效果非常好。

永磁电动机良好的低速性能与负载观测器功能相结合，可以实现电制动停车。 良好的抗荷扰动性能减少了提升机起步速度的过冲。 停车时采用精确的位置闭环控制，可以在0档电制动后再制动，实现了无冲击停车。

在某煤矿副井提升机对原绕组异步电动机传动系统进行了永磁变频改造，改造前后如表2所示。

表2改造前后的比较

现场卷扬机的运行曲线如图8所示，加速时的电流、转速示波器的实时曲线如图9所示。 由图8、9可知，速度曲线光滑，无明显波动和超调，运行稳定； 电流曲线动态响应快，实际转速在负载混乱、加减速时能迅速服从转速指令； 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加速时的电流转速实时曲线

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，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。 为了提高直流母线的电压利用率，电压调制波中加入了3次谐波，因此相电压呈鞍形。 从图10可以看出，同步角0与电压调制波0重合，但电流和电压调制波相差约10左右，此时功率因数可以计算为约0.984。 从图11可以看出，电流与电压调制波相差约190，此时的功率因数可以计算为约-0.984。 由此可见，无论是电动状态还是发电状态，系统都具有较高的功率因数。

图10电动状态的运行波形

图11发电状态的运行波形

5 结论

永磁电动机在效率、功率因数、转矩输出等方面的性能优势，结合提升机系统对电动机节能、动态性能等方面的要求，研究其在矿山提升机中的应用。 从模拟和现场运行情况可以得出以下结论。

(1)充分利用永磁电机磁阻转矩，采用了增强单位电流转矩输出能力的最大转矩电流比控制方法；

)2)基于永磁电机的运动方程，构建了负载观测器，实现了转矩前馈控制，提高了系统的动态性能；

)3)永磁电动机效率高，且电动机效率随负荷变化小，结合提升机连续运行的情况，节能效益非常可观；

)4)充分利用永磁变频调速系统转矩动态响应快、低速性能好的特点，实现了提升机的电制动停车和无冲击起步和停车，减少了系统的机械冲击，延长了设备的使用寿命。

来源：矿机之家

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