采煤機(jī)變頻牽引回饋制動(dòng)的控制策略

鄧孝祥, 王安華, 劉宏洋

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

采煤機(jī)變頻牽引回饋制動(dòng)的控制策略

鄧孝祥, 王安華, 劉宏洋

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

采煤機(jī)四象限變頻牽引工作于并網(wǎng)回饋狀態(tài)時(shí)，易出現(xiàn)失控現(xiàn)象。通過建立變流器動(dòng)態(tài)向量模型，確定一種新型電能緩沖變流器拓?fù)?，研?0 kW/380 V變頻牽引系統(tǒng)樣機(jī)，搭建了四象限變頻機(jī)組拖動(dòng)平臺(tái)，通過仿真分析及實(shí)物波形驗(yàn)證其可行性。結(jié)果表明：該研究有效抑制變頻牽引系統(tǒng)并網(wǎng)制動(dòng)失控。該研究為變頻器實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)提供有力的理論依據(jù)。

采煤機(jī)； 動(dòng)態(tài)相量解耦； 電能平滑疏導(dǎo)； 電流沖擊

0 引 言

四象限變流器裝置應(yīng)用于交流傳動(dòng)牽引系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)是基于瞬時(shí)無功功率理論對(duì)變換器的輸入有功功率和無功功率進(jìn)行快速、準(zhǔn)確控制。對(duì)于電網(wǎng)不平衡條件下的并網(wǎng)，文獻(xiàn)[1-2]最早提出在正、負(fù)序雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別對(duì)正、負(fù)序電流進(jìn)行獨(dú)立控制的控制方案，實(shí)現(xiàn)正序、負(fù)序電流的無靜差控制,缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在線運(yùn)算量過大，另外在實(shí)現(xiàn)不平衡控制時(shí)并未考慮諧波問題，影響掛網(wǎng)運(yùn)行的其他設(shè)備正常使用。2013年,宋全剛[3]設(shè)計(jì)了大傾角采煤機(jī)四象限變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)，證明了采煤機(jī)下行開采狀態(tài)下回饋制動(dòng)及能量并網(wǎng)的可行性。2015年，魯曉輝等[4]設(shè)計(jì)了采煤機(jī)牽引逆變器二階LC無源濾波器，對(duì)紋波有較好抑制效果。2016年，鄧永紅[3-6]設(shè)計(jì)了一種采煤機(jī)四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。以上文獻(xiàn)所述方案未研究采煤機(jī)牽引系統(tǒng)回饋制動(dòng)狀態(tài)下電流沖擊對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。

目前，國(guó)內(nèi)幾家知名生產(chǎn)采煤機(jī)變頻牽引系統(tǒng)單位，其核心技術(shù)多采用ABB等制造的控制器組件改造而成，可靠性比進(jìn)口產(chǎn)品差，尤其針對(duì)變頻牽引應(yīng)用場(chǎng)合，故障率偏高。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及分析，采煤機(jī)運(yùn)行過程中，導(dǎo)致裝置內(nèi)部炸機(jī)主要有三種：第一，由于井下用電負(fù)荷分配復(fù)雜，供電線路長(zhǎng)短不一，直接影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)測(cè)試，電源電壓波動(dòng)范圍約為±20%，導(dǎo)致變流器內(nèi)部直流母線電壓呈現(xiàn)階躍變化。第二，采煤機(jī)在開采過程中，突遇三相電網(wǎng)供電不平衡工況，變流器不能正?；仞伈⒕W(wǎng)。第三，井下存在大傾角采煤面工況，傾角達(dá)到38°左右，采煤機(jī)下行開采且截割阻力突降時(shí)，系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)，其內(nèi)部直流母線電壓瞬間增大，此時(shí)并網(wǎng)失控，能量無法釋放。筆者提出一種具有新型電能平緩?fù)負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的采煤機(jī)變頻牽引控制系統(tǒng)，構(gòu)建變流器動(dòng)態(tài)向量模型，優(yōu)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及控制算法，結(jié)合諧波抑制技術(shù)，重點(diǎn)考慮電流沖擊的影響，探求有效抑制變頻牽引系統(tǒng)并網(wǎng)制動(dòng)失控的控制策略。

1 變頻牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)主電路為三相橋式電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，網(wǎng)側(cè)LCL網(wǎng)絡(luò)可分解為兩部分，Li和Cf構(gòu)成的帶通濾波單元，Lg為抗沖擊電感；網(wǎng)側(cè)功率單元包括S1～S6；平波吸收網(wǎng)絡(luò)由中間直流儲(chǔ)能電容Cd和扼流電抗器Le1、Le2組成；負(fù)載側(cè)功率單元包括V1～V6組成。主電路能量可以雙向流動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)向設(shè)備(M)供電時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率單元S處于整流狀態(tài)、負(fù)載側(cè)功率單元處于逆變狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備M向電網(wǎng)回饋能量時(shí)，V處于整流狀態(tài)、S處于逆變狀態(tài)。

圖1 變頻牽引系統(tǒng)主電路原理

1.2 主要控制單元設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)功率單元控制原理如圖2所示。設(shè)開關(guān)管工作與理想情況。當(dāng)S3、S4、S5導(dǎo)通時(shí)，Uinvab=Ucd，Uinvbc=0，Uinvca=-Ucd；當(dāng)S3、S4、S1導(dǎo)通時(shí)，Uinvab=Ucd，Uinvbc=-Ucd，Uinvca=0。

圖2 網(wǎng)側(cè)功率單元控制原理

由圖2可見三相線電壓Uia、Uib、Uic包含Ucd、0、-Ucd三種取值，因此，由S表示開關(guān)矩陣，根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，可得：

(1)

(2)

KVL回路方程為：

(3)

實(shí)際電路中Rg產(chǎn)生壓降較小，分析時(shí)將其忽略。將進(jìn)網(wǎng)電壓ua、ub、uc進(jìn)行Clark和Park變換，求得電網(wǎng)電壓的相位和頻率信號(hào)作為進(jìn)網(wǎng)電流的相位和頻率參考值；將進(jìn)網(wǎng)電流iga、igb、igc進(jìn)行Clark和Park變換得到d軸電流和q軸電流，如式(4)式(7)所示。

(4)

(5)

(6)

(7)

將d軸和q軸分量與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的進(jìn)網(wǎng)電流基準(zhǔn)值送入調(diào)節(jié)器，經(jīng)過解耦，再由Park反變換后通過SVPWM運(yùn)算得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如式(8)所示，解耦控制原理,如圖3所示。

(8)

圖3 解耦控制方法

2 仿真結(jié)果與分析

在Matlab仿真平臺(tái)中應(yīng)用Simulink搭建系統(tǒng)模型，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)控制方案對(duì)23變換及反變換等關(guān)鍵算法進(jìn)行建模，模型如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主電路模型

圖5 關(guān)鍵控制算法模型

通過仿真得到電網(wǎng)電壓u與電網(wǎng)電流i波形如圖6和圖7所示，可見整流時(shí)，電網(wǎng)電流波形為正弦波，且與電網(wǎng)電壓相位一致；回饋制動(dòng)時(shí)，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位相差180°，性能良好。

a

b

Fig. 6 Simulation waveforms of voltage and current in grid under rectifier

a

b

Fig. 7 Simulation waveforms of voltage and current in power grid under feedback braking

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案研制了采煤機(jī)變頻牽引控制系統(tǒng)樣機(jī)，額定功率為40 kW，輸入電壓為AC380 V，利用四象限變頻電機(jī)拖動(dòng)平臺(tái)模擬電網(wǎng)不平衡、電流階躍上升沖擊等工況。實(shí)驗(yàn)表明，裝置工作于整流狀態(tài)時(shí)，觀察到網(wǎng)側(cè)相電壓、網(wǎng)側(cè)相電流波形相位相同，直流電壓為654 V，功率因數(shù)近似為1；裝置工作于回饋并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，直流電壓為654 V，網(wǎng)側(cè)相電流和相電壓波形相位相反，功率因數(shù)近似為-1，且電流為正弦波。說明此裝置性能穩(wěn)定，能夠有效抑制并網(wǎng)失控及變頻器炸機(jī)現(xiàn)象，達(dá)到控制要求。

[1] Rodriguez P，Luna A，Candela I,et al. Multiresonant frequency-locked loop for grid synchronization of power converters under distorted grid conditions[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(1): 127-138.

[2] Jose C, AlfonsoG, Jose J et al. Enhanced grid fundamental positive-sequence digital synchronization structure[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(1): 226-234.

[3] 宋全剛. 大傾角采煤機(jī)四象限變頻調(diào)速電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 山東煤炭科技, 2013(4): 149-150

[4] 魯曉輝. 采煤機(jī)牽引逆變器的無源濾波器的研究設(shè)計(jì)[J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2015, 12(5): 51-54

[5] 鄧永紅. 采煤機(jī)牽引四象限變流器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工礦自動(dòng)化，2016, 42(7)： 20-25.

[6] 鄧永紅. 礦用采煤機(jī)四象限變流器的研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48(8): 93-99

(編校 李德根)

Research on feedback braking control strategy of frequency conversion traction for shearer under unbalanced grid conditions

DengXiaoxiang,WangAnhua,LiuHongyang

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is a response to an out-of -control phenomenon, as occurs when the four quadrant inverter traction system of coal mining machine works in the grid connected state. The study works towards developing the dynamic vector model of converter; producing a new type of energy buffer converter topology; and developing the prototype of 40 kW/380 V frequency conversion traction system and the four quadrant frequency conversion unit drag the platform; and validating the feasibility using simulation and measured waveforms. The results demonstrate that the research contributes to an effective restraint on an out-of-control phenomenon in the grid braking of variable frequency traction system and may provide a theoretical basis for the practical design of frequency converters.

shearer; dynamic phasor decoupling; electric energy smoothing; current shock

2017-04-23

中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(MTKJ2016-367)； 哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(RC2016XK008001)

鄧孝祥(1966-)，男，黑龍江省雞西人，教授，碩士，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：3036361_cn@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.03.001

TD632.1

2095-7262(2017)03-0211-04

A