矿井提升机双PWM交直交变频调速系统

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第25卷第2期机电工程Vol.25No.22008年2月MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINEFeb.2008矿井提升机双PWM交直交变频调速系统王晓晨,孙凤香(合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009)摘要:根据矿井提升机的工作特性和拖动系统的现状,研究了其基于双PWM结构的异步电动机交直交变频调速拖动方案。PWM整流器部分采用电压、电流双闭环矢量控制策略;逆变器部分采用按电机转子磁通定向的矢量控制方法。建立了控制系统模型,并深入分析了其原理。最后以660V等级的提升机为实例,采用Matlab仿真了一个提升循环运行时的情况,仿真结果证明:此调速系统的运行性能良好,达到了预期目的。关键词:矿井提升机;双脉宽调制;异步电动机;矢量控制;计算机仿真+中图分类号:TD534;TM343.2文献标识码:A文章编号:1001-4551(2008)02-0056-04DualPWMAC2DC2ACvariable2frequencyadjustable2speedsysteminminehoistWANGXiao2chen,SUNFeng2xiang(CollegeofElectricalandAutomaticEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:Accordingtominehosit’soperatingcharacteristicanditsdrivingsystem’spresentsituation.itsAC2DC2ACelectricdriveschemewithinductionmotorbasedondualpulsewidthmodulation(PWM)structurewasdiscussed.Dualclose2loopvectorcontrolwasappliedinthesystem’srectifier,andvectorcontrolorientedbyrotorfluxtotheinductionmotorwasappliedinthein2verter.Thecontrolstystem’smodelwasestablishedanditstheorywasanalyzedindetail.Takingexamplefor660Vgradevolt2agehoist,situationduringaliftingcyclewassimulatedbyMatlab.Theresultsprovethatthemotor’sperformanceisgood,anditrealizestheexpectedpurpose.Keywords:minehoist;dualpulsewidthmodulation(PWM);inductionmotor;vectorcontrol;computersimulation机,则可用三电平的双PWM拓扑结构。0前言矿井提升机是矿山生产的重要运输设备。因此,矿井提升机电控系统必须具有安全可靠、运行高效且[1]定位准确的能力。相对而言,双PWM交直交变频调速具有调速性能好、功率因数高、谐波电流小、能量可双向流动等显著优点,虽然目前使用不多,但却是颇具优势、颇有前途的方案。图1异步电动机交直交变频矢量控制系统主电路本研究主要介绍矿井提升机双PWM交直交变频调速系统。2PWM整流器部分的工作原理及控制策略1异步电动机双PWM控制电路三相电压型PWM整流器主电路拓扑,如图2所示,由交流电压源(即电网电压)、电抗器、三相功率模异步电动机双PWM交直交变频系统的主电路,如图1所示。整流器部分ARU采用PWM整流器,块逆变桥、直流储能电容组成,Ea、Eb、Ec为电源电压。如果负载侧带电动机,则可等效为电阻和直流电压源PWM逆变器INU为三相桥式接法。变频器的输出电[2]的串联。压应为660V,所以桥臂开关器件应采用1700V的建立两相旋转(d2q)坐标系,并使d轴定向于电IGBT。为了检测变频器的三相输出电流,需设置3只源电压空间矢量E,如图3所示,可得到三相VSR在霍尔电流传感器。同样,PWM整流器的三相交流电源[3]d2q坐标系下的数学模型:线电压也为660V。对于大容量的主井或副井提升收稿日期:2007-07-10作者简介:王晓晨(1975-),男,安徽淮南人,博士,主要从事电力传动控制方面的研究。 第2期王晓晨,等:矿井提升机双PWM交直交变频调速系统·57·这里取1100V(>6602V)。3异步电动机矢量控制原理和结构对于逆变器和电机侧,可采用异步电动机的矢量控制。异步电动机按转子磁通定向的矢量控制的矢量图,如图5所示。磁链轴M位于转子磁链Ψr的轴线上,is是定子电流合成空间矢量,由三相定子电流isa、isb、isc合成,它们都以同步速ωs旋转。d轴为转子轴,以ωr速度旋转。α2β是静止两相坐标系,其中α轴与三相定子didL+Rid-ωLiq+upd=Ed绕组的a轴重合。d轴与α轴的夹角λ是转子相对于定dt(1)diq子绕组的a轴的位置角,M轴与d轴的夹角θ是负载L+Riq+ωLid+upq=Eq=0dt角,θ=∫ωs-ωrdt。那么磁链轴M相对于定子绕组a式中id、iq—交流侧输入电流空间矢量i的d、q分量,upd、upq—交流侧电压空间矢量up的d、q分量;Ed、轴的空间位置角φs=λ+θ。Eq—E的d、q分量;ω—d2q轴旋转角速度,即电源电压角频率;θ—d轴与a轴间的夹角。PWM整流器控制的实质是对交流侧电流的控[4]制。本研究采用电压、电流双闭环矢量控制方案,如图4所示。图5异步电动机矢量控制的矢量图在旋转坐标系MT中,将定子电流is分解为转矩分量ist、励磁分量ism。异步电动机的电磁转矩为:Te=Km|Ψr|ist(2)式中Km—比例系数;Ψr—转子磁链,而转子磁链Ψr[5]与ism的关系为:d|ψr|图4电压、电流双闭环矢量控制系统结构Tr+|ψr|=Lmism(3)dtPWM整流器希望直流输出电压ud稳定,因此采式中Lm—定子绕组互感;Tr—转子绕组时间常数;用ud闭环控制结构,电压调节器AUR采用PI调节器。在保证ism不变,即|ψr|不变的条件下,电磁转矩调节器的输出量表示期望的整流器的输出电流,亦即仅与ist有关。所以可分别控制电流转矩分量ist、励磁分交流电源侧的电流有功分量。而无功分量期望值i3量ism,从而实现对转矩、转速的控制。q取决于期望的功率因数角φ3。若φ3=0,则i3=0。采用电流模型的矢量控制系统结构,如图6所示。q3通过检测三相交流电流ia、ib、ic,经3/2变换,旋转变换外环为速度环,ωr和ωr为转速的给定值和实际值,速3得到id、iq。ACDR调节器是调节id的,采用PI调节器,度调节器ASR的输出是系统的电磁转矩期望值Te。3调节器的输出量是u3。ACQR调节器是调节i的,亦Te的极性表示期望值的极性。由于ASR为PI调节器,pd1q33可实现无静差调速。由式(2)知,T除以|ψ|得i的采用PI调节器,调节器的输出量是upq1。为提高系统erst3的跟随性能和抗扰性能,增加前馈控制环节。Ed、ωLiq、期望值ist。此外有磁链控制环,通过电流模型检测到ωLid为前馈控制量。由式(1)的运算可得到在旋转坐标系中的调制电33压upd、upq,经矢量运算得到三相调制电压期望值333upa、upb、upc,再经正弦波脉宽调制电路,得到六相调制脉冲,以驱动6个桥臂的开关器件。由于PWM整流器可看作交流升压斩波电路,所以直流输出电压给定值必须大于交流电源线电压幅值,图6采用电流模型的矢量控制系统 ·58·机电工程第25卷3-3的电机转子磁链幅值|ψr|与期望值|ψr|相比较电流调节器参数。积分系数τi=Tl=16×10s,3(对于恒转矩负载,|ψr|为一固定值),经AψR调放大倍数KA=1,电流反馈系数β=1,则比例系数Ki3=TZ/2KβT=1.6。节,其输出作为ism的期望值ism。LAoi3s/2s、2s/2r分别为三相静止坐标系到两相静止磁链调节器参数。积分系数τψ=Tr=0.919s,则坐标系、两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换,旋比例系数Kψ=βτψ/4LmToi=30390。转变换用到的磁链轴的空间位置角φs由电流模型得转速调节器参数。速度反馈滤波系数Ton=0.01s,2到。电流模型的系统结构,如图7所示。GD30则积分时间常数Ti==125s,那么比例系数375πKn=3βTi/5TΣn=6944,积分系数τn=5TΣn=0.054。3-3磁链设定值|ψr|=Lmism=18.9×10×86=1.63Wb。PWM整流器的参数为:交流电源相电压220V,滤图7按转子磁链定向旋转坐标系上的转子磁链的电流模型波电抗器电感量L=10mH,电阻R=0.2Ω,直流侧[6]滤波电容为3000μF,开关频率为6kHz。给定直流输转差角速度Δωs与ist的关系为:3出电压Udc=1100V,要求单位功率因数。LmΔωs=ist=ωs-ωr(4)4.2仿真模型的建立Tr|ψr|由此可得旋转磁链轴的同步角速度ωs,经积分运根据图4、图6、图7的原理图和计算得到的参数,算可得到磁链轴的空间位置角φs。经矢量运算得到的采用Matlab的Simulink工具构建了异步电动机矢量333控制系统仿真模型,如图8所示。三相定子电流iA、iB、iC,与实测的iA、iB、iC相比较后,分别经电流调节器ACR1、ACR2、ACR3调节,得到333期望值的三相定子电压UA、UB、UC。这3个交流量经PWM调制电路得到逆变器6个桥臂的驱动信号。本33系统可以运行在四象限,ωr的极性表示正、反转,Te的极性表示转矩的极性。电流调节器和磁链调节器可按典型Ⅰ型系统设计,而转速调节器按典型Ⅱ型系统设计。图8异步电机矢量控制系统的仿真模型4实例分析及系统仿真图8中,三相PWM整流器部分封装成一个模块,对本研究设计的系统进行仿真,异步电机取185展开此模块,如图9所示。kW/660V等级。4.1原始数据及参数计算仿真采用南阳防爆电机厂的JBRO400L-6型电动机,主要参数为:额定功率PN=185kW,定子变压器一次侧电压、电流U1=660V,I1=194A,二次侧电压、电流U2=560V,I2=200A,空载转速n0=1000rpm,效率η=0.94,功率因数cosφ=0.89,λ=3.5,额定转22速nN=987rpm,电机转动惯量GD=100kg·m。根据以上数据,经计算,得到以下基本参数:图9三相PWM整流器的仿真模型额定电磁转矩TeN=1788N·m,额定转差率SN=0.013,极对数P=3,定子、转子各参数:Rs=0.024Ω,4.3仿真及结果分析Rr′=0.026Ω,Lls=0.4mH,Llr′=0.4mH,Lm=PWM整流器的仿真过程,启动时不带负载,等直-3流电压稳定后再接通三相逆变桥,拖动电机运转。电18.9Ω,Tl=16×10s,Tr=0.919s,回路阻抗Z=9.9Ω。拖动系统转动惯量GD2=4900N·m2。机给定转速为103rad/s(阶跃给定),负载为20%额定负载。各调节器参数计算如下: 第2期王晓晨,等:矿井提升机双PWM交直交变频调速系统·59·PWM整流器工作性能仿真结果,如图10所示,整(0.1TeN)分析系统的运行情况。其他仿真参数同上。流器启动时输出直流电压跟随时间为0.1s,超调量很仿真结果,如图13所示。小;加上逆变器和电机负载后电压降落80V,满足不超过直流电压10%的要求,恢复时间约为1s,很快达到新的稳态值。在稳态下,直流侧输出电压稳定,电源电压和输入交流电流同相位,实现单位功率因数,电流谐波分量小。因此,整流器的各项指标均符合要求。图中,从上往下依次为uab、ia,b,c、Te、ωr的波形。33显然,在减速时出现负力,Te、Te、ist均反向,说明矢量控制系统工作在发电制动状态。在等速阶段转速达3图10PWM整流器工作性能的仿真结果到ωr,爬行速度约为3rad/s,等速和爬行阶段的转矩约为0.1TeN。速度图和力图与图11(a)、(c)基本一以上仿真给定转速为阶跃信号,但实际上提升机致。电压和电流波形正常。是往复运转,速度给定比较复杂。一个提升循环中,滚仿真结果证明:在矢量系统方案下,一个提升循环筒旋转速度ωr(提升容器上、下运动速度为n)有一个中电机运行的稳态和动态性能均良好。结合前面加速、等速、减速、低速爬行的过程,如图11(a)所示。PWM整流器的仿真结果,说明本研究设计的提升机双根据拖动系统动力学方程式可得到满给定速度图所需PWM交直交变频调速方案完全可行。要的力图,如图11(b)、(c)、(d)所示。显然,负载较小时,减速段出现负力。因此电力拖动系统要满足四5结束语象限调速的要求。为保证机械设备的安全和升降人员本研究以660V等级的提升机为对象,研究了其的安全、舒适,煤矿安全还规定要限制提升机的加、减双PWM交直交变频拖动系统的设计及仿真,主要对[7]速度及其导数。把一个提升循环的理想速度曲线PWM整流器部分的工作原理和控制策略进行了分析,作为速度给定,在额定负载和轻载两种情况下运行仿并采用电压电流双闭环的矢量控制,给出了控制系统真模型,观察实际转速和转矩波形是否与图11中一结构图;研究了异步电动机按转子磁通定向的矢量控致,以及电压电流波形是否准确。制方案;通过一个实例仿真了一个提升循环运行时的情况,并分别对PWM整流器的性能和异步电机的运行性能进行了分析。参考文献(Reference):[1]叶予光,梁南丁.矿井交流提升系统中PLC电控系统的应用与研究[J].煤矿机械,2004(9):128-129.图11一个提升循环的给定速度图、力图[2]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2004.3(1)最大转速给定ωr=103rad/s,先建立磁链,[3]OHNUKIT.HighpowerfactorPWMrectifierwithananalog0.5s后在额定负载下(1788N·m)对一个提升循环pulsewidthpredictioncontrollers[J].IEEETrans.on进行仿真。在减速段,Te极性不变。为方便仿真,设PowerElectronics,1996,11(3):460-465.加速时间为5s,等速时间为0.5s,减速时间为5s。[4]YEY,KAZERANIM,QUINTANAVH.ANovelModelingandControlMethodforThree2phasePWMConverters[C]//仿真结果,如图12所示。图中,从上往下依次为变频PESC.2001IEEE32thAnnual,2001(1):102-107.器输出线电压uab、线电流ia,b,c、电磁转矩Te、转速ωr[5]马小亮.对异步机矢量控制和直接转矩控制的思考[J].3的波形。显然,在等速阶段转速达到ωr,爬行速度约电力电子,2004,2(1):10-13.为3rad/s,等速和爬行阶段的转矩约为额定转矩。速[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统:第3版[M].北京:机械度图和力图与图11(a)、(b)基本一致。电压和电流工业出版社,2003.波形正常,电压频率随转速的变化而变化。[7]顾永辉,范廷瓒.煤矿电工手册[M].北京:煤炭工业出版3社,1999.[编辑:张翔](2)ωr=103rad/s,先建立磁链,在轻载下