摘要：本文討論了高壓提升機(jī)變頻器研制中的幾個(gè)重要技術(shù)問題，包括能量回饋、力矩特性優(yōu)化、可靠性的保證措施等。此外還給出了現(xiàn)場運(yùn)行情況。 關(guān)鍵字：提升機(jī)、變頻器、能量回饋 風(fēng)光牌 JD—BP37/38 系列高壓（ 6000/10000V ）提升機(jī)變頻器于 2005 年 12 月 18 日在濟(jì)南通過了省級(jí)技術(shù) / 產(chǎn)品鑒定。以陳伯時(shí)教授、李永東教授為主任的鑒定委員會(huì)給出的產(chǎn)品鑒定結(jié)論是： 鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為， JD-BP 系列礦井提升機(jī)高壓變頻調(diào)速器具有技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在級(jí)聯(lián)高壓逆變器控制方面填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，具有較大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值，可以批量生產(chǎn)。 本文將把該變頻器研制過程中的幾個(gè)主要技術(shù)問題呈現(xiàn)給大家，希望得到專家和同行的指教。 在“節(jié)約中國”的大形勢(shì)下，變頻器行業(yè)正呈方興未艾之勢(shì)，銷售勢(shì)頭十分喜人。但高壓機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有很大局限性。雖然各品牌使用手冊(cè)上會(huì)列出一大串適用領(lǐng)域，可實(shí)際應(yīng)用多局限于風(fēng)機(jī)類或水泵類負(fù)載。其實(shí)，還有一種負(fù)載急切地等待著實(shí)現(xiàn)變頻化，那就是礦山提升機(jī)。在市場的強(qiáng)烈呼喚下 [1] ，我公司于 2000 年召開了低壓礦山提升機(jī)變頻器的鑒定會(huì) [2] ，當(dāng)時(shí)鑒定結(jié)論也是 填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 五年后的今天， 6000/10000V 的高壓提升機(jī)變頻器終于正式上市了。 把變頻器推廣到高壓提升機(jī)上去存在著很大風(fēng)險(xiǎn)，世界上最早生產(chǎn)這類高壓變頻器的羅賓康公司也未見其將這類產(chǎn)品用于礦山提升機(jī)的報(bào)道。要打入提升機(jī)領(lǐng)域，必須解決幾個(gè)棘手的難題，概括說來有以下幾點(diǎn)：四象限運(yùn)行、苛刻的力矩特性、高可靠性、頻繁開停機(jī)。下面的討論將針對(duì)這幾個(gè)難點(diǎn)展開。 一、四象限運(yùn)行 - ——- 能量回饋 礦井提升機(jī)處于四象限運(yùn)行的工況，當(dāng)提升機(jī)負(fù)重下放或快速減速時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，變頻器必須妥善處理這部分能量。單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了耗能電阻的辦法不再適用，只有將再生能量回饋電網(wǎng)這一條路可走，四象限運(yùn)行的關(guān)鍵就是能量回饋。 本文的方案是每個(gè)功率單元主電路均采用雙逆變器，電源側(cè)是一個(gè)三相逆變器，輸出側(cè)是一個(gè)單相逆變器，主電路如圖 1 所示。當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能量從電源流向負(fù)載；當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，輸出側(cè)的逆變器處于整流工作狀態(tài)，電源側(cè)的逆變器將能量饋送至電網(wǎng)。 [ALIGN=CENTER] 圖 1 功率單元主電路圖 [/ALIGN] 回饋過程的控制策略有二： 1 、間接電流控制，原理簡述如下： 單相簡化電路如圖 2 所示： [ALIGN=CENTER] 圖 2 間接電流控制簡化電路圖 [/ALIGN] 為電源電壓，為逆變器輸出的低頻電壓 穩(wěn)態(tài)回路電流： 三相回饋電網(wǎng)的總功率為： 由此可見，改變與角，即可改變回饋功率的大小。 、與電感壓降向量圖 3 所示： [ALIGN=CENTER] 圖 3向量圖 [/ALIGN] 若要求回饋電流與電壓反相（此時(shí)效率最高），這時(shí)應(yīng)有 。 由于電抗要求安裝在單元之內(nèi)，體積必須盡量小，因此限流電感的電感量較小，比小得多，即<<，此時(shí)角 較小，可近似認(rèn)為 tg ≈ sin ≈， 。 當(dāng)回饋能量與電機(jī)發(fā)電提供能量相一致時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)母線電壓保持穩(wěn)定。如果要使回饋電流始終與電源電壓反相，則應(yīng)同時(shí)調(diào)整角度與幅度滿足， 調(diào)整 由改變調(diào)制度實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際上，當(dāng)很小時(shí)，， 影響回饋功率的主要因素是角，因此，在母線幅度變化不大的條件下，可以僅調(diào)整角來改變回饋功率。 這種控制方法較簡單，系統(tǒng)易穩(wěn)定。由于沒有電流閉環(huán)，回饋波形較差。要改善回饋電流波形，則應(yīng)增加電流閉環(huán)，即直接電流控制。 2 、直接電流控制 直接電流控制可有多種方法實(shí)現(xiàn)，最常見的是滯環(huán)電流控制。這種方法是將實(shí)測回饋電流與參考電流相比較，根據(jù)比較的差值直接給出 PWM 信號(hào)，以調(diào)整回饋電流，在不斷的調(diào)整過程中，使實(shí)測回饋電流跟蹤參考電流，與參考電流之間的誤差控制在一個(gè)允許的范圍之內(nèi)。實(shí)現(xiàn)電流跟蹤的控制方法有多種： SPWM 、 SVPWM 、 d-q 變換控制等。 正�；仞仌r(shí)，回饋的能量應(yīng)與電機(jī)發(fā)電能量相等，這時(shí)母線電壓保持一個(gè)定值。參考電流取自電源電壓乘以一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)的獲得是實(shí)測母線電壓與給定的母線參考電壓的差，經(jīng)運(yùn)算獲得。系統(tǒng)方框圖見圖 4 [ALIGN=CENTER] 圖 4 回饋系統(tǒng)方框圖[/ALIGN] 其中 U 0 ＊ 為母線電壓給定， U 0 為實(shí)測母線電壓， U m ， i m 分別為實(shí)測電源電壓、電流（ m=a,b,c ） 整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)為電壓環(huán)，其作用是保證母線電壓為恒定。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，其作用是保證回饋電流始終跟蹤參考電流。直接電流控制可同時(shí)保持母線電壓恒定且回饋電流波形較好。正因?yàn)樗且粋�(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，系多極點(diǎn)反饋系統(tǒng)，若參數(shù)選擇不當(dāng)，可能不穩(wěn)定，尤其在回饋大幅突變時(shí)，若采用這一控制方式應(yīng)有保證系統(tǒng)穩(wěn)定的措施。 二、力矩特性的優(yōu)化 1 、 提升機(jī)變頻器的力矩特性： 與普通風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載相比較，提升機(jī)變頻器對(duì)力矩有著非常苛刻的要求。 （ 1 ）起動(dòng)力矩很大：起動(dòng)力矩一般在額定力矩的 1.8 倍以上； （ 2 ）加速力矩大：加速力矩大方能保證動(dòng)態(tài)性能好； （ 3 ）制動(dòng)力矩大：高速運(yùn)行時(shí)快速減速、帶重物下放，停止?fàn)顟B(tài)機(jī)械抱閘尚未起作用的時(shí)間段，要求制動(dòng)力矩以防重物下滑溜車； （ 4 ）低頻力矩大。 為得到所需力矩特性，采取如下的措施： 異步電動(dòng)機(jī)等效電路如圖 7 所示： [ALIGN=CENTER] 圖 7 異步電動(dòng)機(jī)單相等效電路[/ALIGN] 為電機(jī)端電壓 為電機(jī)端感應(yīng)電勢(shì)，它與定子磁通相對(duì)應(yīng)： 在等效電路上表現(xiàn)為互感壓降，它與氣隙磁通相對(duì)應(yīng)： 對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通： 在與頻率成正比的控制中，高頻區(qū)最大轉(zhuǎn)矩不變，為恒力矩調(diào)速。低頻時(shí)由于定子電阻上壓降的影響，將使定子磁通降低，影響了最大轉(zhuǎn)矩的輸出。因此，低頻時(shí)必須施加電壓補(bǔ)償。 提升機(jī)起動(dòng)力矩比穩(wěn)速力矩大得多、加速力矩也比穩(wěn)速力矩大得多，所以低頻段補(bǔ)償一定要補(bǔ)償恰當(dāng)。 提升機(jī)每次的負(fù)載多變，有時(shí)空載、有時(shí)滿載。怎樣才能保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩足夠又不嚴(yán)重過勵(lì)磁呢？思路有二： （ 1 ）依實(shí)測力矩確定補(bǔ)償 提升機(jī)在每次提升過程中，負(fù)載是不變的，起動(dòng)后先測電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，然后確定補(bǔ)償量。電機(jī)轉(zhuǎn)矩由下式計(jì)算： 其中 k 為常數(shù) 電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩為正，發(fā)電運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，不同的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)不同的低頻補(bǔ)償值，這可用查表法實(shí)現(xiàn)。此法簡單，易于控制，但準(zhǔn)確度不高，屬磁通開環(huán)控制。 • 實(shí)測電機(jī)磁通，且令電機(jī)磁通等于預(yù)定值，若在運(yùn)行中補(bǔ)償?shù)舳ㄗ与娮?img src="/uploadpic/THESIS/2007/3/2007031715442927017O.gif" border=0 >上的壓降，保持與頻率的比為定值，則保證了定子磁通為定值。若進(jìn)一步補(bǔ)償上的壓降，則保證了氣隙磁通為定值。若再進(jìn)一步補(bǔ)償?shù)?img src="/uploadpic/THESIS/2007/3/20070317154549325433.gif" border=0 >上的壓降，則保證了轉(zhuǎn)子磁通為定值。保持定子磁通為定值，低頻時(shí)最大轉(zhuǎn)矩大于 V/F 恒定時(shí)的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，但最大轉(zhuǎn)矩仍將隨頻率降低而減小，若保證了氣隙磁通恒定，則能使最大轉(zhuǎn)矩與頻率無關(guān)，若保證了轉(zhuǎn)子磁通恒定，則能使轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比。三種磁通是相互聯(lián)系的，它們之間可以互相換算，知道其一便可算出另外兩個(gè)。本文所討論的變頻器具有磁通開環(huán)、磁通閉環(huán)兩種工作模式。 2 、磁通閉環(huán)控制 矢量控制系統(tǒng)的做法通常是將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系定位于轉(zhuǎn)子磁場，此時(shí)，異步電機(jī)的電壓方程為： 為轉(zhuǎn)差角頻率 磁鏈方程為： 為極對(duì)數(shù) 對(duì)于電流型的變頻器，這一變換將定子電流分離成為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，做到了完全解耦。定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)子磁通的關(guān)系是一個(gè)簡單的一階微分方程�？刂妻D(zhuǎn)子磁通為定值則可以比較容易地實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于電壓型變頻器，情況則大不相同，電壓型變頻器的輸出電壓與電流本身即是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系。要控制轉(zhuǎn)子磁通為定值，首先要求出轉(zhuǎn)子磁通與定子電壓之間的關(guān)系。由以上電壓和磁鏈方程，可以得到： 轉(zhuǎn)子磁通與定子電壓的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，這是一個(gè)二階微分方程，而且沒有完全解耦，式中包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)耦合項(xiàng)；式中還包含轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù) 而轉(zhuǎn)子電阻又是一個(gè)時(shí)變量，在有些情況下需要在線辨識(shí)。這樣一個(gè)系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的。 文獻(xiàn) [3] 提出了一種稱為“定子電壓定向矢量控制系統(tǒng)”的控制方法。這種方法得到定子電壓與定子磁通之間的關(guān)系是一個(gè)代數(shù)方程，且方程中不含轉(zhuǎn)子電阻。這種方法可以將磁通閉環(huán)控制大大地簡化。 將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的d軸定位于定子電壓矢量。異步電機(jī)電壓方程為： ……………………………. ……… （ 1 ） …………………………….... ……… （ 2 ） ……………………………………… （ 3 ） ……………………………………… （ 4 ） 令定子磁通為定值 ………………………………… （ 5 ） 同理令轉(zhuǎn)子磁通為定值得到 ……………………………………………….（ 6 ） 由磁鏈方程：………………………….. ……… （ 7 ） …………………………………... （ 8 ） …………………………………… （ 9 ） …………………………………… （ 10 ） 將上述、、、代入式（ 6 ）并有（ 5 ）式共同得到： ……………………（11） 再由磁鏈方程：…………..（12） …………………………………...（13） 由（ 12 ）、（ 13 ）式可以得到： .. （ 14 ） …………………… （15） 將 （14） 、（ 15 ）及（ 5 ）式，代入到（ 11 ）式，得到： …………………………..（16） 式中為轉(zhuǎn)子磁通的模平方，若控制轉(zhuǎn)子磁通為定值，則為定值，可以得到： ………………………………...（17） 此式給出由當(dāng)前電機(jī)的實(shí)測電流及定子磁通計(jì)算保持轉(zhuǎn)子磁通為定值所需定子電壓的關(guān)系式。此式為一代數(shù)方程，且不含，因此用做控制方程甚是方便。用（ 17 ）式做控制方程實(shí)現(xiàn)磁通閉環(huán)，比轉(zhuǎn)子磁通定向矢量控制中的磁通閉環(huán)大為簡化。 三、可靠性的保證措施 為提高可靠性采取了以下措施： • 冗余技術(shù) 這包括器件冗余（電壓冗余、電流冗余等）、電路冗余、單元冗余等等。 2 、改進(jìn)吸收電路設(shè)計(jì)，減小 IGBT 的電壓、電流應(yīng)力。 3 、低溫升設(shè)計(jì) 功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關(guān)，一般給出 80 0 C 時(shí)的工作壽命，溫度每升高 10 0 C 壽命約降低一半，每下降 10 0 C 壽命增加一倍。盡可能地降低整機(jī)溫升，將會(huì)大幅度提高整機(jī)可靠性。 4 、抗干擾性能 要保證整機(jī)高可靠性運(yùn)行，應(yīng)最大限度的提高整機(jī)抗干擾性能，主要從以下幾方面著手：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（屏蔽、接地隔離等措施）、工藝設(shè)計(jì)（排板、布線等盡可能合理）、電源設(shè)計(jì)（控制電源應(yīng)良好凈化，避免從電源引入干擾）、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、制造工藝等等。 四、現(xiàn)場運(yùn)行情況 現(xiàn)有兩臺(tái)樣機(jī)在現(xiàn)場正常運(yùn)行。第一臺(tái)安裝在邯鄲市峰峰礦務(wù)局新三礦付井提升機(jī)上，副井為立井，其任務(wù)是人員和物料的下放與提升。電機(jī)為 6000V 、 380KW ，額定負(fù)載為 5 噸，額定提升速度為 5.8m/s ，變頻器在安裝調(diào)試完成后，做了各項(xiàng)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括： 輕載起動(dòng)： 輕載爬行：爬行運(yùn)行頻率 2.2Hz ； 重載起動(dòng)：額定負(fù)載（ 5 噸）； 超載（最大負(fù)載約 7 噸）； 重載爬行：額定負(fù)載（ 5 噸）； 超載（最大負(fù)載約 7 噸）； 升速運(yùn)行：從起動(dòng)到額定頻率（ 50Hz ）升速時(shí)間為 10s 帶額定負(fù)載； 負(fù)重下放：帶額定負(fù)載下放，升速時(shí)間 8s ；停機(jī)過程、減速時(shí)間 8s ； 超載負(fù)重下放：下放約 7 噸重物，加速時(shí)間為 8s ，加速到 15Hz 后，穩(wěn)速下放，停機(jī)過程減速時(shí)間為 8s 。 在以上各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中，工作平穩(wěn)、正常，各項(xiàng)性能均能滿足現(xiàn)場工況要求。 此變頻器已運(yùn)行半年多，可靠性尚好。 第二臺(tái)變頻器安裝在峰峰礦務(wù)局九龍礦，井下提升機(jī)，此提升機(jī)電機(jī)為 6000V 、 240KW ，向上提煤、下放物料，同時(shí)也運(yùn)送人員，這臺(tái)變頻器于 2005 年 9 月正式運(yùn)行。 第三臺(tái)安裝在山西晉普山煤礦。副井提升機(jī)，額定功率為 6000V 、 320KW ，功能是向上提矸石。此機(jī)正在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。 五、結(jié)束語 雖然說高壓提升機(jī)專用變頻器研制成功了，得到了用戶和專家的好評(píng)，我們清醒地認(rèn)識(shí)到這是鼓勵(lì)，實(shí)際上產(chǎn)品性能的完善、長期可靠性的考驗(yàn)還有很長的路要走，我們會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化控制方式、完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為礦業(yè)提供更優(yōu)良的變頻設(shè)備，讓國產(chǎn)品牌越來越風(fēng)光。 作者簡介： 李瑞來畢業(yè)于清華大學(xué) 工程物理 系，現(xiàn)任 山東新風(fēng)光科技發(fā)展有限公司總工。 研究方向?yàn)殡娏﹄娮印? 參考資料： [1] 何洪臣 市場的呼喚 企業(yè)的響應(yīng) 第三屆變頻器行業(yè)企業(yè)家論壇 2004 年 [2] 李瑞來，何洪臣，韓文昭 礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻器世界 2000 （ 9 ）。 [3] 李永東， de Fornel B ，David M. PWM 供電的異步電機(jī)電壓定向矢量控制。電氣傳動(dòng)，1990（4）2－7.