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1 引言

隨著(zhù)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(mén)話(huà)題之一，對于大容量電力傳動(dòng)系統，尤其是大容量礦山提升系統，安全生產(chǎn)特別重要。同軸提升機系統采用兩臺電機同時(shí)拖動(dòng)一個(gè)滾筒的模式，兩臺電機同時(shí)工作時(shí)為主從控制。當一臺變頻器出現問(wèn)題時(shí)，可切換為單機運行，整個(gè)系統為50%功率工作模式，可以滿(mǎn)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

2.1 高壓四象限變頻器系統

高壓四象限變頻器是同軸提升機系統的變頻調速系統，是拖動(dòng)電機的執行機構[1]。高壓四象限變頻器系統將系統電網(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)輸入電壓轉換為獨立的三相 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構，使單元的輸入電壓進(jìn)行移相，減小對電網(wǎng)的諧波無(wú)污染，為真正的完美無(wú)諧波。高壓四象限變頻器有完善的控制系統，其主控系統采用高速 DSP 為控制核心，控制算法完全數字化，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(guò)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(guò)相應單元的保護動(dòng)作通過(guò)上行通訊光纖上傳給主控系統。

四象限變頻器可進(jìn)行能量回饋，當電機處于拖動(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，變頻器工作在第一、第三象限。當電機處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變側的二極管回饋到母線(xiàn)電壓，當直流母線(xiàn)電壓超過(guò)一定的值，整流側能量回饋控制部分啟動(dòng)，將直流逆變成交流，通過(guò)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  同軸提升機系統硬件連接

圖 1  同軸提升機機械連接實(shí)物圖

兩臺電機拖動(dòng)時(shí)的執行機構為兩臺高壓四象限變頻器，采用主從控制的數據信號連接。主從控制信號傳輸數據定義如下表 1 所示。主從控制信號連接方式如下圖 3 所示，數據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  通訊內容

表 1 主從控制傳輸數據定義

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，對于應用現場(chǎng)的操作，更加靈活方便。

2.3 主從協(xié)調控制

主從控制方式采用矢量控制算法，極大提高了提升機系統轉矩提升能力。矢量控制系統采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結構，電流環(huán)采用 PI 調節器，實(shí)現簡(jiǎn)單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用 PI 調節器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應的超調量，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(shí)給到主機和從機同樣的頻率命令，這種控制方式可以滿(mǎn)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，轉子通過(guò)減速器連接在一起，兩臺電機的轉子頻率一致，所以?xún)膳_電機工作時(shí)的轉差一致。兩臺電機額定功率一致時(shí)，電機的額定轉差一致，此時(shí)兩臺電機的轉矩電流一致，運行功率平衡。

若兩電機差異太大，或是所涉及兩電機系統差異大，造成用同頻雙機控制模式時(shí)，兩機輸出電流差異大，這種情況發(fā)生時(shí)，就會(huì )導致電流大的電機電流過(guò)大，超過(guò)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(xiàn)如圖3 所示。S2 曲線(xiàn)為功率較小的異步電機，異步電機額定轉差較大。S1 曲線(xiàn)為功率較大的異步電機，異步電機額定轉差較小。在同頻率控制情況下，兩臺電機定子電壓頻率一致為 n0，轉子通過(guò)減速器連接在一起，兩臺電機的轉子頻率一致為 n1，此時(shí)大功率電機S1 曲線(xiàn)工作在 Q1 點(diǎn)，轉矩電流 M1 比較大。小功率電機 S2 曲線(xiàn)工作在 Q2 點(diǎn)，轉矩電流M2 比較小[2]。此時(shí)拖動(dòng)大電機的高壓四象限變頻器容易過(guò)流保護。

圖3 不同功率電機的機械特性曲線(xiàn)

為解決以上情況，采用不同頻控制，根據兩臺電機運行時(shí)的有功轉矩電流，自動(dòng)調整兩臺電機的定子運行頻率。當電機轉矩電流較大時(shí)，通過(guò)線(xiàn)性地減少變頻器的轉速給定來(lái)減小電機轉速。機械耦合后，反應為轉矩電流的減小。當電機轉矩電流較小時(shí)，則線(xiàn)性地增加變頻器的轉速給定來(lái)增加電機轉速，電機轉速的增加，通過(guò)機械耦合后，反應為轉矩電流的增加。在轉子運行頻率一致的情況下，通過(guò)轉矩電流自動(dòng)調整兩臺電機的運行轉差，實(shí)現調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矩電流，分離時(shí)三相采樣電流通過(guò)Clark變換和Park變換，分離出轉矩電流，根據兩臺轉矩電流運行情況，分別產(chǎn)生不同的轉矩電流補償頻率，從而改變電機定子電壓的運行頻率，進(jìn)而改變轉矩電流，最終實(shí)現同軸連接情況下，兩臺主從控制的變頻器輸出轉矩電流自動(dòng)分配，得到所需要的運行系統狀態(tài)。

此方式已經(jīng)通過(guò)現場(chǎng)驗證，在某絞車(chē)現場(chǎng)，電機功率為 1100kW 和 1600kW，使用兩臺1400kW 變頻器，通過(guò)調配，使兩臺電機的最大輸出功率在 1100kW 和 1400kW，實(shí)現最大功率輸出時(shí)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。現場(chǎng)輸出運行電流情況如下圖 5 所示。

圖 5 現場(chǎng)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(yǔ)

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