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大功率永磁變頻技術在礦井提升機上的應用研究

2022-06-06市場部摘編

論

壇

中礦傳動技術交流

他山之石

2022年第18期

總第52期

2022年06月06日發(fā)布

大功率永磁變頻技術在礦井提升機上的應用研究

市場部摘編

導讀：針對礦井提升機重載啟動、快速加減速的應用工況,結合永磁電動機效率高、低速性能好,過載能力強等優(yōu)點，采用轉矩輸出能力強的最大轉矩電流比控制,開發(fā)出一款永磁提升機專用高壓變頻器。為提高系統(tǒng)轉矩響應速度，加入了負載觀測器功能。經(jīng)過現(xiàn)場應用,該變頻傳動系統(tǒng)具有高功率因數(shù)、高效率、動態(tài)性能好、啟動轉矩大、機械沖擊小等優(yōu)點。

本文摘自《礦山機械雜志》公眾號，“他山之石，可以攻玉”，來自行業(yè)內部專家的理論研究或許能給大家?guī)韺W習上的啟發(fā)和工作上的幫助。

目前礦井提升機電動機主要采用繞線異步電動機、鼠籠異步電動機、電勵磁同步電動機等。其中，繞線異步電動機主要用于轉子切電阻系統(tǒng)，已逐步被淘汰；鼠籠異步電動機的低速性能及轉矩輸出與同步電動機相比較差，一般用于中小功率的提升機；電勵磁同步電動機啟動轉矩大，過載能力強，多用于大功率提升機，但是電勵磁同步電動機有碳刷滑環(huán)并需要配備專門的勵磁裝置，系統(tǒng)復雜，保養(yǎng)維護困難，勵磁損耗大。隨著永磁體材料技術的逐漸成熟，以及針對永磁電動機的矢量控制技術不斷進步，電勵磁同步電動機結構簡單、高效率、轉矩輸出能力強、低速性能好等優(yōu)點不斷被放大，應用領域也在不斷拓寬，并且這些優(yōu)點可以適應礦井提升機工況。

傳統(tǒng)的同步電動機矢量控制方案主要有轉子磁鏈定向法和氣隙磁鏈定向法，這 2 種方法都是令 d 軸電流等于 0。其中，轉子磁鏈定向法隨著功率增大，功率因數(shù)會不斷降低，適用于小功率永磁電動機；氣隙磁鏈定向法需要隨著負載變化不斷調整勵磁電流，以保證磁場和功率因數(shù)恒定，多用于電勵磁同步電動機。最大轉矩電流比控制利用磁阻轉矩可以作為驅動轉矩的特點，提高了轉矩輸出能力，同時能夠保證電動機較高的功率因數(shù)。根據(jù)對基于轉子磁鏈定向的 id=0 控制和最大電流轉矩比控制的特點對比，后者更適合大功率提升機工況。

提升機要求快速加減速以保證生產(chǎn)效率，啟車開閘瞬間要求迅速建立與負載相匹配的轉矩，以避免溜車或產(chǎn)生較大轉速超調。通過合理設置速度環(huán)參數(shù)或改進 PI 調節(jié)器可以加快動態(tài)響應，但精確調節(jié)器設計比較困難，且系統(tǒng)復雜。筆者采用負載觀測器進行轉矩前饋控制，系統(tǒng)結構簡單，并大大加快了轉矩響應速度。

最大轉矩電流比控制

永磁電動機電磁轉矩

由式(1)、(2)可得

式中：Pn 為極對數(shù)；id、iq 分別為定子繞組的 d、q 軸電流；Ψ d、Ψ q 分別為 d、q 軸的磁鏈；Ψ r 為轉子磁鏈；Ld、Lq 分別為 d、q 軸電感；α 為定子電流與轉子夾角。

α 在 π/2～π 這個區(qū)域內，存在一個角度能使單位電流輸出最大的電磁轉矩，可以通過式(4)計算得出 α 值。

解式(4)可得

對于凸極性電動機，求出 β 后充分利用磁阻轉矩，可以實現(xiàn)定子電流一定時產(chǎn)生最大的電磁轉矩。最大轉矩電流比的控制框圖如圖 1 所示。根據(jù)式(6)、(7)對電流給定值進行分解，計算出 id、iq 的給定值，反饋電流經(jīng)過坐標變換得出 id、iq 的反饋值，給定值與反饋值經(jīng)電流調節(jié)器輸出電壓調制波，最后由PWM 模塊控制逆變器輸出所需電壓。坐標變換角度由磁鏈觀測器計算得出，磁鏈觀測器低速采用電流模型，高速采用電壓模型。系統(tǒng)加入前饋電壓可提高電流環(huán)的響應速度。

圖1 最大轉矩電流比控制框圖

永磁電動機負載觀測器

提升機開閘一瞬間相當于突加負載，如果不做處理容易造成溜車。通常的做法是在開閘前，讓變頻器預先控制電動機輸出和負載方向相反的堵轉力矩，這樣雖然有效防止了溜車，但由于負載大小無法觀測，給定力矩與實際負載不匹配，會造成開閘后絞車上沖的問題。要想徹底解決這個問題，需要加快電動機轉矩響應速度，在開閘后迅速建立與負載相匹配的轉矩，相當于要解決提升機負載擾動的問題。

電動機運動方程為:

式中：J 為轉動慣量；ω 為角速度；Te 為電磁轉矩；TL 為負載轉矩；D 為阻尼系數(shù)。

一個控制周期內認為轉矩穩(wěn)定，

狀態(tài)方程為

系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程為:

式中：K1、K2 為反饋增益系數(shù)。

誤差方程為:

系統(tǒng)特征方程為:

假設設計系統(tǒng)的極點為 λ1、λ2，可以求出:

根據(jù)式(13)、(14)可以得出，負載觀測器控制框圖，如圖 2 所示。根據(jù)式(18)、(19)可以求出 K1、K2，圖 2 中轉速偏差取觀測值減去實際值，因此 K1、K2 取負值。

圖2 負載觀測器控制框圖

沒有負載觀測器時，只有在轉速偏差出現(xiàn)后，經(jīng)過轉速調節(jié)器的調節(jié)輸出轉矩給定值，從而控制電動機輸出轉矩，轉矩輸出完全依賴速度調節(jié)器的響應速度。負載觀測器實時觀測負載轉矩，在轉矩環(huán)上加入前饋控制，大大加快轉矩響應速度，可以有效解決提升機負載擾動問題，并且使整個系統(tǒng)動態(tài)性能更好。

仿真

搭建永磁電動機最大轉矩電流比控制仿真模型，模擬提升機工況運行。加入負載觀測器模塊，通過對比負載觀測器投入前后系統(tǒng)運行情況，證明負載觀測器的有效性。采用實際項目所用電動機參數(shù)進行仿真，電動機關鍵參數(shù)如表 1 所列。

表1 電動機參數(shù)

假設系統(tǒng)轉動慣量為 2 000 kg·m2，模擬提升機滿載加速運行曲線如圖 3、4 所示，圖 3 為轉速波形，圖4 為電流波形。從波形上看，反饋速度很好地跟隨了給定速度，系統(tǒng)動態(tài)響應迅速，穩(wěn)態(tài)運行平穩(wěn)。

圖3 轉速波形

圖4 電流波形

電動機運行在 10% 轉速時，突加 100% 額定負載，觀察轉速響應。未加入負載觀測器時，轉速曲線如圖 5 所示，負載擾動時轉速下降了 5 r/min，在 0.8 s 后轉速恢復。加入負載觀測器后，轉速曲線如圖 6所示，負載擾動時下降了 1.5 r/min，在 0.1 s 后轉速恢復?？梢钥闯?，加入負載觀測器后大大加快了系統(tǒng)響應速度，提高了抗負載擾動能力。

圖5 未加入負載觀測器的轉速曲線

圖6 加入負載觀測器的轉速曲線

現(xiàn)場應用

整個提升機的傳動控制系統(tǒng)如圖 7 所示。變頻器是整個控制系統(tǒng)中的核心設備，PLC 給變頻器啟停、調速命令，變頻器將電流、轉速、功率等數(shù)據(jù)實時反饋給 PLC，也可以將這些數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到遠程診斷中心，進行遠程維護或故障處理。

圖7 提升機電控拓撲圖

永磁電動機效率比異步電動機高 2%～5%，功率越小效率差的越多，且永磁電動機效率隨負載率變化較小，異步電動機工作在 70% 功率以下效率降低的比較多。以 1 000 kW 電動機為例，異步電動機效率為 94.0%，永磁電動機效率為 96.5%，兩者效率相差2.5%，如果考慮到運行功率一般在額定功率的 80%左右，根據(jù)效率曲線圖兩者效率差值約為 4.0%。假設每年僅有一半時間運行處于 80% 功率狀態(tài)下，單臺電動機每年將節(jié)約電能 140 160 kW·h，節(jié)能收益十分可觀。

結合永磁電動機良好的低速性能及負載觀測器功能，可以實現(xiàn)電氣制動駐車。良好的抗負載擾動性能減小了提升機啟車速度超調。停車時采用精確的位置閉環(huán)控制，可以在 0 速電氣制動后再抱閘，實現(xiàn)了無沖擊停車。

在某煤礦副井提升機對原繞線異步電動機傳動系統(tǒng)進行了永磁變頻改造，改造前后對比如表 2 所列。

表2 改造前后對比

現(xiàn)場提升機運行曲線如圖 8 所示，加速時電流、轉速示波器實時曲線如圖 9 所示。從圖 8、9 可以看出，速度曲線平滑，無明顯波動及超調，運行穩(wěn)定；電流曲線動態(tài)響應迅速，實際轉速可以在負載擾動、加減速時迅速跟隨轉速指令；穩(wěn)態(tài)時電流曲線平穩(wěn)，電流波動在 1 A 左右。

圖8 提升機運行曲線

圖9 加速時電流、轉速實時曲線

永磁電動機 50 Hz 時，電流、電壓調制波、同步角度通過變頻器 AO 通道輸出后，采用示波器觀測如圖 10、11 所示，圖 10 為電動狀態(tài)，圖 11 為發(fā)電狀態(tài)。為了提高直流母線電壓利用率，電壓調制波加入了 3 次諧波，所以相電壓顯示為馬鞍形。從圖 10 可以看出，同步角 0°與電壓調制波 0°重合，而電流與電壓調制波相差大約 10°左右，可計算得此時功率因數(shù)約為 0.984。從圖 11 可以看出，電流與電壓調制波相差大約 190°，可計算得此時功率因數(shù)約為-0.984。由此可知，不論在電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)都具有較高的功率因數(shù)。