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1 引言

隨著高壓四象限變頻技術的不斷成熟,高壓四象限變頻器在礦山等領域得到了廣泛應用。目前,高壓四象限變頻技術已經(jīng)成為礦山領域的熱門話題之一，對于大容量電力傳動系統(tǒng)，尤其是大容量礦山提升系統(tǒng)，安全生產(chǎn)特別重要。同軸提升機系統(tǒng)采用兩臺電機同時拖動一個滾筒的模式，兩臺電機同時工作時為主從控制。當一臺變頻器出現(xiàn)問題時，可切換為單機運行，整個系統(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系統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是拖動電機的執(zhí)行機構[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)換為獨立的三相 690V 電壓，給每個功率單元供電。移相變壓器采用延邊三角形結構，使單元的輸入電壓進行移相，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 波信號通過下行通訊光纖傳遞給每個功率單元，每個功率單元通過相應單元的保護動作通過上行通訊光纖上傳給主控系統(tǒng)。

四象限變頻器可進行能量回饋，當電機處于拖動狀態(tài)時，能量從電網(wǎng)經(jīng)整流回路、逆變回路流向電機，變頻器工作在第一、第三象限。當電機處于發(fā)電狀態(tài)時，電機產(chǎn)生的能量通過逆變側(cè)的二極管回饋到母線電壓，當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，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  同軸提升機系統(tǒng)硬件連接

圖 1  同軸提升機機械連接實物圖

兩臺電機拖動時的執(zhí)行機構為兩臺高壓四象限變頻器，采用主從控制的數(shù)據(jù)信號連接。主從控制信號傳輸數(shù)據(jù)定義如下表 1 所示。主從控制信號連接方式如下圖 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 主從控制信號連接

該種連接可保證 1#、2#機均可設置為主機，對于應用現(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)結構，電流環(huán)采用 PI 調(diào)節(jié)器，實現(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，能有效地限制動態(tài)響應的超調(diào)量，加快響應速度。

對于主從方式，可采用主從機同頻控制方式，同頻率控制是指同時給到主機和從機同樣的頻率命令，這種控制方式可以滿足兩臺電機功率一致的運行情況，并且兩臺電機在同頻率控制情況下，兩臺電機定子電壓頻率一致，轉(zhuǎn)子通過減速器連接在一起，兩臺電機的轉(zhuǎn)子頻率一致，所以兩臺電機工作時的轉(zhuǎn)差一致。兩臺電機額定功率一致時，電機的額定轉(zhuǎn)差一致，此時兩臺電機的轉(zhuǎn)矩電流一致，運行功率平衡。

若兩電機差異太大，或是所涉及兩電機系統(tǒng)差異大，造成用同頻雙機控制模式時，兩機輸出電流差異大，這種情況發(fā)生時，就會導致電流大的電機電流過大，超過高壓四象限變頻器的額定電流，易導致高壓四象限變頻器保護，小功率電機出現(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的機械特性不一致導致的。不同功率電機的機械特性曲線如圖3 所示。S2 曲線為功率較小的異步電機，異步電機額定轉(zhuǎn)差較大。S1 曲線為功率較大的異步電機，異步電機額定轉(zhuǎn)差較小。在同頻率控制情況下，兩臺電機定子電壓頻率一致為 n0，轉(zhuǎn)子通過減速器連接在一起，兩臺電機的轉(zhuǎn)子頻率一致為 n1，此時大功率電機S1 曲線工作在 Q1 點，轉(zhuǎn)矩電流 M1 比較大。小功率電機 S2 曲線工作在 Q2 點，轉(zhuǎn)矩電流M2 比較小[2]。此時拖動大電機的高壓四象限變頻器容易過流保護。

圖3 不同功率電機的機械特性曲線

為解決以上情況，采用不同頻控制，根據(jù)兩臺電機運行時的有功轉(zhuǎn)矩電流，自動調(diào)整兩臺電機的定子運行頻率。當電機轉(zhuǎn)矩電流較大時，通過線性地減少變頻器的轉(zhuǎn)速給定來減小電機轉(zhuǎn)速。機械耦合后，反應為轉(zhuǎn)矩電流的減小。當電機轉(zhuǎn)矩電流較小時，則線性地增加變頻器的轉(zhuǎn)速給定來增加電機轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速的增加，通過機械耦合后，反應為轉(zhuǎn)矩電流的增加。在轉(zhuǎn)子運行頻率一致的情況下，通過轉(zhuǎn)矩電流自動調(diào)整兩臺電機的運行轉(zhuǎn)差，實現(xiàn)調(diào)配兩臺電機的輸出電流，達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，對電機電流采樣后需要分離轉(zhuǎn)矩電流，分離時三相采樣電流通過Clark變換和Park變換，分離出轉(zhuǎn)矩電流，根據(jù)兩臺轉(zhuǎn)矩電流運行情況，分別產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)矩電流補償頻率，從而改變電機定子電壓的運行頻率，進而改變轉(zhuǎn)矩電流，最終實現(xiàn)同軸連接情況下，兩臺主從控制的變頻器輸出轉(zhuǎn)矩電流自動分配，得到所需要的運行系統(tǒng)狀態(tài)。

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

圖 5 現(xiàn)場輸出運行電流情況

電流最終的分配為 95/75=1.26。和設計的電流分配 1.27 基本一致。

3 結束語

高壓四象限變頻器在礦山等領域得到了廣泛應用。隨著礦山提升系統(tǒng)安全性能要求的提高，同軸提升機系統(tǒng)會得到廣泛推廣，能夠驅(qū)動同軸提升機的高壓四象限變頻器主從控制技術也會隨之廣泛應用。相信同軸提升機控制系統(tǒng)在礦山等領域必然發(fā)揮更大的作用。