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1 引言

隨著高壓四象限變頻技術(shù)的不斷成熟,高壓四象限變頻器在礦山等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前,高壓四象限變頻技術(shù)已經(jīng)成為礦山領(lǐng)域的熱門話題之一，對于大容量電力傳動(dòng)系統(tǒng)，尤其是大容量礦山提升系統(tǒng)，安全生產(chǎn)特別重要。同軸提升機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)一個(gè)滾筒的模式，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)為主從控制。當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)問題時(shí)，可切換為單機(jī)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)為50%功率工作模式，可以滿足一定的生產(chǎn)，極大的提高生產(chǎn)的安全性。

2 同軸提升機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 高壓四象限變頻器系統(tǒng)

高壓四象限變頻器是同軸提升機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是拖動(dòng)電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]。高壓四象限變頻器系統(tǒng)將系統(tǒng)電網(wǎng)電壓輸入連接到高壓四象限變頻器的移相變壓器上，移相變壓器將電網(wǎng)輸入電壓轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的三相 690V 電壓，給每個(gè)功率單元供電。移相變壓器采用延邊三角形結(jié)構(gòu)，使單元的輸入電壓進(jìn)行移相，減小對電網(wǎng)的諧波無污染，為真正的完美無諧波。高壓四象限變頻器有完善的控制系統(tǒng)，其主控系統(tǒng)采用高速 DSP 為控制核心，控制算法完全數(shù)字化，主控箱與功率單元采用高速光纖通訊，主控將 PWM 波信號(hào)通過下行通訊光纖傳遞給每個(gè)功率單元，每個(gè)功率單元通過相應(yīng)單元的保護(hù)動(dòng)作通過上行通訊光纖上傳給主控系統(tǒng)。

四象限變頻器可進(jìn)行能量回饋，當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能量從電網(wǎng)經(jīng)整流回路、逆變回路流向電機(jī)，變頻器工作在第一、第三象限。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到母線電壓，當(dāng)直流母線電壓超過一定的值，整流側(cè)能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過控制逆變電壓相位和幅值將能量回饋到電網(wǎng)。變頻器工作在第二、四象限。

2.2  同軸提升機(jī)系統(tǒng)硬件連接

圖 1  同軸提升機(jī)機(jī)械連接實(shí)物圖

兩臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)時(shí)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為兩臺(tái)高壓四象限變頻器，采用主從控制的數(shù)據(jù)信號(hào)連接。主從控制信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)定義如下表 1 所示。主從控制信號(hào)連接方式如下圖 3 所示，數(shù)據(jù)通訊的方式為光纖通訊，極大提高信號(hào)傳遞的抗干擾性能。

發(fā)送  接收  通訊內(nèi)容

表 1 主從控制傳輸數(shù)據(jù)定義

圖 2 主從控制信號(hào)連接

該種連接可保證 1#、2#機(jī)均可設(shè)置為主機(jī)，對于應(yīng)用現(xiàn)場的操作，更加靈活方便。

2.3 主從協(xié)調(diào)控制

主從控制方式采用矢量控制算法，極大提高了提升機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩提升能力。矢量控制系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。

對于主從方式，可采用主從機(jī)同頻控制方式，同頻率控制是指同時(shí)給到主機(jī)和從機(jī)同樣的頻率命令，這種控制方式可以滿足兩臺(tái)電機(jī)功率一致的運(yùn)行情況，并且兩臺(tái)電機(jī)在同頻率控制情況下，兩臺(tái)電機(jī)定子電壓頻率一致，轉(zhuǎn)子通過減速器連接在一起，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子頻率一致，所以兩臺(tái)電機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)差一致。兩臺(tái)電機(jī)額定功率一致時(shí)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差一致，此時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流一致，運(yùn)行功率平衡。

若兩電機(jī)差異太大，或是所涉及兩電機(jī)系統(tǒng)差異大，造成用同頻雙機(jī)控制模式時(shí)，兩機(jī)輸出電流差異大，這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電流大的電機(jī)電流過大，超過高壓四象限變頻器的額定電流，易導(dǎo)致高壓四象限變頻器保護(hù)，小功率電機(jī)出現(xiàn)輸出電流偏小，不能正常出力的情況。

這種情況是由于不同功率電機(jī)的機(jī)械特性不一致導(dǎo)致的。不同功率電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖3 所示。S2 曲線為功率較小的異步電機(jī)，異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)差較大。S1 曲線為功率較大的異步電機(jī)，異步電機(jī)額定轉(zhuǎn)差較小。在同頻率控制情況下，兩臺(tái)電機(jī)定子電壓頻率一致為 n0，轉(zhuǎn)子通過減速器連接在一起，兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子頻率一致為 n1，此時(shí)大功率電機(jī)S1 曲線工作在 Q1 點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩電流 M1 比較大。小功率電機(jī) S2 曲線工作在 Q2 點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩電流M2 比較小[2]。此時(shí)拖動(dòng)大電機(jī)的高壓四象限變頻器容易過流保護(hù)。

圖3 不同功率電機(jī)的機(jī)械特性曲線

為解決以上情況，采用不同頻控制，根據(jù)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的有功轉(zhuǎn)矩電流，自動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)電機(jī)的定子運(yùn)行頻率。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流較大時(shí)，通過線性地減少變頻器的轉(zhuǎn)速給定來減小電機(jī)轉(zhuǎn)速。機(jī)械耦合后，反應(yīng)為轉(zhuǎn)矩電流的減小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流較小時(shí)，則線性地增加變頻器的轉(zhuǎn)速給定來增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，通過機(jī)械耦合后，反應(yīng)為轉(zhuǎn)矩電流的增加。在轉(zhuǎn)子運(yùn)行頻率一致的情況下，通過轉(zhuǎn)矩電流自動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差，實(shí)現(xiàn)調(diào)配兩臺(tái)電機(jī)的輸出電流，達(dá)到想要的電流分配效果。同軸控制的原理圖如圖4所示。

圖 4  同軸控制的原理圖

在圖4中，對電機(jī)電流采樣后需要分離轉(zhuǎn)矩電流，分離時(shí)三相采樣電流通過Clark變換和Park變換，分離出轉(zhuǎn)矩電流，根據(jù)兩臺(tái)轉(zhuǎn)矩電流運(yùn)行情況，分別產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩電流補(bǔ)償頻率，從而改變電機(jī)定子電壓的運(yùn)行頻率，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩電流，最終實(shí)現(xiàn)同軸連接情況下，兩臺(tái)主從控制的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩電流自動(dòng)分配，得到所需要的運(yùn)行系統(tǒng)狀態(tài)。

此方式已經(jīng)通過現(xiàn)場驗(yàn)證，在某絞車現(xiàn)場，電機(jī)功率為 1100kW 和 1600kW，使用兩臺(tái)1400kW 變頻器，通過調(diào)配，使兩臺(tái)電機(jī)的最大輸出功率在 1100kW 和 1400kW，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出時(shí)變頻器和電機(jī)都不超載。這樣二者的電流比例大約為 1400/1100=1.27?，F(xiàn)場輸出運(yùn)行電流情況如下圖 5 所示。

圖 5 現(xiàn)場輸出運(yùn)行電流情況

電流最終的分配為 95/75=1.26。和設(shè)計(jì)的電流分配 1.27 基本一致。

3 結(jié)束語

高壓四象限變頻器在礦山等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著礦山提升系統(tǒng)安全性能要求的提高，同軸提升機(jī)系統(tǒng)會(huì)得到廣泛推廣，能夠驅(qū)動(dòng)同軸提升機(jī)的高壓四象限變頻器主從控制技術(shù)也會(huì)隨之廣泛應(yīng)用。相信同軸提升機(jī)控制系統(tǒng)在礦山等領(lǐng)域必然發(fā)揮更大的作用。