浅析矢量控制高压变频器在矿井提升系统中的应用

浅析矢量控制高压变频器在矿井提升系统中的应用
摘要：通过对淮北矿业集团公司某矿副井提升机矢量控制高压变频器的调试分析，简要总结矢量控制VC系统的参数调整原理及方法。

关键词：变频技术矢量控制高压变频器提升机
电流转速双闭环
一、前言
随着矢量控制高压变频器在矿井提升机领域的广泛应用，已经越来越得到广大技术人员的认可。

然而，其所涉及到的空间矢量变换理论较为复杂，参数设置多，运行调整难度大。

通过对煤矿提升机变频改造的调试总结，整理了一下高压变频器参数设置的原理及意义。

二、设备概述
某矿提升机由洛阳矿山机械厂生产，型号JKM2.8×4,主电机为TR800-12/1430,功率为800kW,提升方式为立井双勾，人物混合提升，所配电控系统为焦作华飞公司安装的JTDK-ZN型交流提升控制系统，延续采用了传统交流异步电机转子串十级电阻调速模式。

在2010年，在原有电控基础上，增加了一套高压变频器控制系统，采用北京合康亿盛公司的HIVERT-Y（T）VF系列矢量控制带能量回馈高压变频器。

原工频与新安装的变频调速系统共用司机台及PLC 控制核心，高压部分两路供电，一路工频，一路变频。

正常使用时为变频系统，工频系统做为备用。

改造使用的高压变频器系北京合康亿盛公司的HIVERT-Y（T）VF系列矢量控制带能量回馈高压变频器，型号为HIVERT-YVF 06/130，容量1250KV A，适配功率为1000kw。

采用的主要技术有:功率单元串联叠波、有速度传感器的矢量控制、有源逆变能量回馈、速度和输出电流双闭环控制等。

三、设备原理
为了研究VC系统的工作原理，我们需要看下有关矢量控制变频器的理论依据。

1、矢量控制
矢量控制的基本思想是:仿照直流电动机的调速特点，使异步电动机的转速也能通过控制两个互相垂直的直流磁场来进行调节。

基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理
分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。

简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。

这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

异步电动机三相对称定子绕组中，通入对称的三相正弦交流电流ia、ib、ic 时，则形成三相基波合成旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场Ψabc，其旋转角速度等于定子电流的角频率ωs。

然而，产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，均能产生旋转磁场。

具有位置互差90°的两相定子绕组α、β，当通入两相对称正弦电流iα、iβ时，则产生旋转磁场Ψαβ，如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与三相交流绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为两套交流绕组等效。

由此可知，处于三相静止坐标系上的三相固定对称交流绕组，以产生同样的旋转磁场为准则，可以等效为静止两相直角坐标系上的两相固定对称交流绕组。

励磁绕组是在空间上固定的直流绕组，而电枢绕组是在空间中旋转的绕组，电枢磁势fa在空间上却有固定的方向，通常称这种绕组为“伪静止绕组”，这样从磁效应的意义上来说，可以把直流电机的电枢绕组当成在空间上固定的直流绕组，从而直流电机的励磁绕组和电枢绕组就可以用两个在位置上互差90°的直流绕组M和T来等效，M绕组是等效的励磁绕组，T绕组是等效的电枢绕组，M绕组中的直流电流im称为励磁电流分量，T绕组中的直流电流it称为转矩电流分量。

在旋转磁场等效的原则下，α-β交流绕组可以等效为旋转的M-T直流绕组，由于α-β两相交流绕组又与a-b-c三相交流绕组等效，所以，M-T直流绕组与a-b-c 交流绕组等效，，因此通过控制im、it就可以实现对ia、ib、iｃ的瞬时控制。

因为用来进行坐标变换的物理量是空间矢量，所以，将这种控制系统称之为矢量变换控制系统, 简称VC系统。

2、三相异步电动机坐标变换
异步电动机三相原始动态数学模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。

异步电动机数学模型之所以复杂，关键是因为有一个复杂的6╳6电感矩阵，它体现了影响磁链和受磁链影响的复杂关系。

因此，要简化数学模型，必须从简化磁链关系入手，简化的基本方法就是坐标变换。

任意对称的多相绕组，通入平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。

由于两相绕组相互垂直，消除了绕组间的互感，从而减少了绕组间的耦合。

不同电动机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的旋转磁动势完全一致。

（1）三相-两相变换（3/2变换）
在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组α、β之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称3/2变换。

四、应用情况
无级变速矢量变频器的应用，使提升机的五段速度运行的可控性能大幅度增加，调整设备运行技术参数更为简捷。

提升机在运行中加、减速平滑，降低了设备运行的冲击力，人员乘坐平稳，有效延长了设备的使用寿命，降低了维护量。

正力提升的节能以及负力提升时再生发电，创造较大的经济效益。

无级变速的启动，降低了设备启动时对电网的冲击，提高了电网质量。

高压矢量变频控制系统保护功能齐全、灵敏，且与外部硬件紧密结合，使系统的控制达到最佳状态，是传统电阻调速控制方式所无法比拟的，国内传统的工频控制系统能源浪费较大，控制效果差，随着IGBT技术的发展，提升机使用矢量控制高压变频控制系统势在必行。

五、结束语
随着矢量控制高压变频器技术的进一步成熟，产品稳定性和可靠性的进一步提高，变频器在煤矿提升机中的应用，迅速推广和发展起来。

尤其是采用了再生制动方式的变频器，使提升机在减速段或重物下放操作时变频器能自动转入发电反馈状态，使制动更平稳，操作更简单；有速度传感器的矢量控制的应用，使得变频器具有低频转矩大、调速平滑、调速范围广、精度高、操作简单的特点；同时谐波含量极少，符合国家对电网要求的国家标准等优点。

节能效果显著。

参考文献：
[1]刘美俊《变频器应用与维护技术》2008
[2]陈国呈《PWM逆变技术及应用》2007.7
[3]李发海，王岩，《电机与拖动基础》2003.1
[4]陈伯时《电力拖动自动控制系统》2004.4
[5]《合康通用高压变频器用户手册》2009.1
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。