摘要：本文討論了高壓提升機變頻器研制中的幾個重要技術問題，包括能量回饋、力矩特性優化、可靠性的保證措施等。此外還給出了現場運行情況。 關鍵字：提升機、變頻器、能量回饋 風光牌 JD—BP37/38 系列高壓（ 6000/10000V ）提升機變頻器于 2005 年 12 月 18 日在濟南通過了省級技術 / 產品鑒定。以陳伯時教授、李永東教授為主任的鑒定委員會給出的產品鑒定結論是： 鑒定委員會一致認為， JD-BP 系列礦井提升機高壓變頻調速器具有技術指標先進、可靠性高等優點，在級聯高壓逆變器控制方面填補了國內空白，達到國內領先水平，具有較大的經濟、社會效益和推廣應用價值，可以批量生產。 本文將把該變頻器研制過程中的幾個主要技術問題呈現給大家，希望得到專家和同行的指教。 在“節約中國”的大形勢下，變頻器行業正呈方興未艾之勢，銷售勢頭十分喜人。但高壓機的應用領域有很大局限性。雖然各品牌使用手冊上會列出一大串適用領域，可實際應用多局限于風機類或水泵類負載。其實，還有一種負載急切地等待著實現變頻化，那就是礦山提升機。在市場的強烈呼喚下 [1] ，我公司于 2000 年召開了低壓礦山提升機變頻器的鑒定會 [2] ，當時鑒定結論也是 填補了國內空白，達到國內領先水平。 五年后的今天， 6000/10000V 的高壓提升機變頻器終于正式上市了。 把變頻器推廣到高壓提升機上去存在著很大風險，世界上最早生產這類高壓變頻器的羅賓康公司也未見其將這類產品用于礦山提升機的報道。要打入提升機領域，必須解決幾個棘手的難題，概括說來有以下幾點：四象限運行、苛刻的力矩特性、高可靠性、頻繁開停機。下面的討論將針對這幾個難點展開。 一、四象限運行 - ——- 能量回饋 礦井提升機處于四象限運行的工況，當提升機負重下放或快速減速時，電機處于發電運行狀態，變頻器必須妥善處理這部分能量。單元串聯結構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這一條路可走，四象限運行的關鍵就是能量回饋。 本文的方案是每個功率單元主電路均采用雙逆變器，電源側是一個三相逆變器，輸出側是一個單相逆變器，主電路如圖 1 所示。當電機處于電動運行狀態時，能量從電源流向負載；當電機處于發電運行狀態時，輸出側的逆變器處于整流工作狀態，電源側的逆變器將能量饋送至電網。 [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 穩態回路電流： 三相回饋電網的總功率為： 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（此時效率最高），這時應有 。 由于電抗要求安裝在單元之內，體積必須盡量小，因此限流電感的電感量較小，比小得多，即<<，此時角 較小，可近似認為 tg ≈ sin ≈， 。 當回饋能量與電機發電提供能量相一致時達到平衡，此時母線電壓保持穩定。如果要使回饋電流始終與電源電壓反相，則應同時調整角度與幅度滿足， 調整 由改變調制度實現。 實際上，當很小時，， 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，可以僅調整角來改變回饋功率。 這種控制方法較簡單，系統易穩定。由于沒有電流閉環，回饋波形較差。要改善回饋電流波形，則應增加電流閉環，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現，最常見的是滯環電流控制。這種方法是將實測回饋電流與參考電流相比較，根據比較的差值直接給出 PWM 信號，以調整回饋電流，在不斷的調整過程中，使實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允許的范圍之內。實現電流跟蹤的控制方法有多種： SPWM 、 SVPWM 、 d-q 變換控制等。 正常回饋時，回饋的能量應與電機發電能量相等，這時母線電壓保持一個定值。參考電流取自電源電壓乘以一個系數，這個系數的獲得是實測母線電壓與給定的母線參考電壓的差，經運算獲得。系統方框圖見圖 4 [ALIGN=CENTER] 圖 4 回饋系統方框圖[/ALIGN] 其中 U 0 ＊ 為母線電壓給定， U 0 為實測母線電壓， U m ， i m 分別為實測電源電壓、電流（ m=a,b,c ） 整個系統是一個雙閉環系統，外環為電壓環，其作用是保證母線電壓為恒定。內環為電流環，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保持母線電壓恒定且回饋電流波形較好。正因為它是一個雙閉環系統，系多極點反饋系統，若參數選擇不當，可能不穩定，尤其在回饋大幅突變時，若采用這一控制方式應有保證系統穩定的措施。 二、力矩特性的優化 1 、 提升機變頻器的力矩特性： 與普通風機、水泵類負載相比較，提升機變頻器對力矩有著非常苛刻的要求。 （ 1 ）起動力矩很大：起動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態性能好； （ 3 ）制動力矩大：高速運行時快速減速、帶重物下放，停止狀態機械抱閘尚未起作用的時間段，要求制動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： 異步電動機等效電路如圖 7 所示： [ALIGN=CENTER] 圖 7 異步電動機單相等效電路[/ALIGN] 為電機端電壓 為電機端感應電勢，它與定子磁通相對應： 在等效電路上表現為互感壓降，它與氣隙磁通相對應： 對應于轉子磁通： 在與頻率成正比的控制中，高頻區最大轉矩不變，為恒力矩調速。低頻時由于定子電阻上壓降的影響，將使定子磁通降低，影響了最大轉矩的輸出。因此，低頻時必須施加電壓補償。 提升機起動力矩比穩速力矩大得多、加速力矩也比穩速力矩大得多，所以低頻段補償一定要補償恰當。 提升機每次的負載多變，有時空載、有時滿載。怎樣才能保證電機轉矩足夠又不嚴重過勵磁呢？思路有二： （ 1 ）依實測力矩確定補償 提升機在每次提升過程中，負載是不變的，起動后先測電機的負載轉矩，然后確定補償量。電機轉矩由下式計算： 其中 k 為常數 電動運行時，轉矩為正，發電運行時轉矩為負，不同的轉矩對應不同的低頻補償值，這可用查表法實現。此法簡單，易于控制，但準確度不高，屬磁通開環控制。 • 實測電機磁通，且令電機磁通等于預定值，若在運行中補償掉定子電阻上的壓降，保持與頻率的比為定值，則保證了定子磁通為定值。若進一步補償上的壓降，則保證了氣隙磁通為定值。若再進一步補償掉上的壓降，則保證了轉子磁通為定值。保持定子磁通為定值，低頻時最大轉矩大于 V/F 恒定時的轉矩數值，但最大轉矩仍將隨頻率降低而減小，若保證了氣隙磁通恒定，則能使最大轉矩與頻率無關，若保證了轉子磁通恒定，則能使轉矩與轉差成正比。三種磁通是相互聯系的，它們之間可以互相換算，知道其一便可算出另外兩個。本文所討論的變頻器具有磁通開環、磁通閉環兩種工作模式。 2 、磁通閉環控制 矢量控制系統的做法通常是將旋轉坐標系定位于轉子磁場，此時，異步電機的電壓方程為： 為轉差角頻率 磁鏈方程為： 為極對數 對于電流型的變頻器，這一變換將定子電流分離成為勵磁分量和轉矩分量，做到了完全解耦。定子電流的勵磁分量與轉子磁通的關系是一個簡單的一階微分方程。控制轉子磁通為定值則可以比較容易地實現。 對于電壓型變頻器，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相當復雜的關系。要控制轉子磁通為定值，首先要求出轉子磁通與定子電壓之間的關系。由以上電壓和磁鏈方程，可以得到： 轉子磁通與定子電壓的關系相當復雜，這是一個二階微分方程，而且沒有完全解耦，式中包含一個旋轉耦合項；式中還包含轉子時間常數 而轉子電阻又是一個時變量，在有些情況下需要在線辨識。這樣一個系統是相當復雜的。 文獻 [3] 提出了一種稱為“定子電壓定向矢量控制系統”的控制方法。這種方法得到定子電壓與定子磁通之間的關系是一個代數方程，且方程中不含轉子電阻。這種方法可以將磁通閉環控制大大地簡化。 將旋轉坐標的d軸定位于定子電壓矢量。異步電機電壓方程為： ……………………………. ……… （ 1 ） …………………………….... ……… （ 2 ） ……………………………………… （ 3 ） ……………………………………… （ 4 ） 令定子磁通為定值 ………………………………… （ 5 ） 同理令轉子磁通為定值得到 ……………………………………………….（ 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） 式中為轉子磁通的模平方，若控制轉子磁通為定值，則為定值，可以得到： ………………………………...（17） 此式給出由當前電機的實測電流及定子磁通計算保持轉子磁通為定值所需定子電壓的關系式。此式為一代數方程，且不含，因此用做控制方程甚是方便。用（ 17 ）式做控制方程實現磁通閉環，比轉子磁通定向矢量控制中的磁通閉環大為簡化。 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 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 、改進吸收電路設計，減小 IGBT 的電壓、電流應力。 3 、低溫升設計 功率器件、電解電容使用壽命和工作溫度密切相關，一般給出 80 0 C 時的工作壽命，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。盡可能地降低整機溫升，將會大幅度提高整機可靠性。 4 、抗干擾性能 要保證整機高可靠性運行，應最大限度的提高整機抗干擾性能，主要從以下幾方面著手：結構設計（屏蔽、接地隔離等措施）、工藝設計（排板、布線等盡可能合理）、電源設計（控制電源應良好凈化，避免從電源引入干擾）、電路設計、軟件設計、制造工藝等等。 四、現場運行情況 現有兩臺樣機在現場正常運行。第一臺安裝在邯鄲市峰峰礦務局新三礦付井提升機上，副井為立井，其任務是人員和物料的下放與提升。電機為 6000V 、 380KW ，額定負載為 5 噸，額定提升速度為 5.8m/s ，變頻器在安裝調試完成后，做了各項性能試驗，試驗項目包括： 輕載起動： 輕載爬行：爬行運行頻率 2.2Hz ； 重載起動：額定負載（ 5 噸）； 超載（最大負載約 7 噸）； 重載爬行：額定負載（ 5 噸）； 超載（最大負載約 7 噸）； 升速運行：從起動到額定頻率（ 50Hz ）升速時間為 10s 帶額定負載； 負重下放：帶額定負載下放，升速時間 8s ；停機過程、減速時間 8s ； 超載負重下放：下放約 7 噸重物，加速時間為 8s ，加速到 15Hz 后，穩速下放，停機過程減速時間為 8s 。 在以上各個試驗項目中，工作平穩、正常，各項性能均能滿足現場工況要求。 此變頻器已運行半年多，可靠性尚好。 第二臺變頻器安裝在峰峰礦務局九龍礦，井下提升機，此提升機電機為 6000V 、 240KW ，向上提煤、下放物料，同時也運送人員，這臺變頻器于 2005 年 9 月正式運行。 第三臺安裝在山西晉普山煤礦。副井提升機，額定功率為 6000V 、 320KW ，功能是向上提矸石。此機正在進行現場調試。 五、結束語 雖然說高壓提升機專用變頻器研制成功了，得到了用戶和專家的好評，我們清醒地認識到這是鼓勵，實際上產品性能的完善、長期可靠性的考驗還有很長的路要走，我們會進一步優化控制方式、完善結構設計，為礦業提供更優良的變頻設備，讓國產品牌越來越風光。 作者簡介： 李瑞來畢業于清華大學 工程物理 系，現任 山東新風光科技發展有限公司總工。 研究方向為電力電子。 參考資料： [1] 何洪臣 市場的呼喚 企業的響應 第三屆變頻器行業企業家論壇 2004 年 [2] 李瑞來，何洪臣，韓文昭 礦山提升機變頻調速系統 變頻器世界 2000 （ 9 ）。 [3] 李永東， de Fornel B ，David M. PWM 供電的異步電機電壓定向矢量控制。電氣傳動，1990（4）2－7.