基于三電平轉(zhuǎn)差矢量控制的礦用高壓變頻器研究

李兆平 ，張紅娟，靳寶全，高 妍，陳 慧，王雨星

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024； 3.山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原 030027)

煤礦井下電動機(jī)工作環(huán)境特殊，帶載啟停具有隨機(jī)性，存在功率富裕量大效率低下的問題[1，2]。經(jīng)調(diào)研，山西煤礦電機(jī)運(yùn)行效率在大于80%高效區(qū)的僅占33%[3]。目前對于低壓小功率變頻器研究成熟，具有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，高壓變頻器的電路結(jié)構(gòu)還在發(fā)展完善中。

變頻器結(jié)構(gòu)中的整流電路會使電網(wǎng)電流產(chǎn)生畸變，逆變輸出的電壓諧波也會造成電機(jī)的額外損耗，并且高壓環(huán)境對電路中的開關(guān)器件提出了耐壓要求[4，5]。器件耐壓問題通過開關(guān)串聯(lián)可得到有效解決，并且使用載波PWM調(diào)制改善逆變輸出電壓波形。變頻器的控制策略目前主要有恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制，其中恒壓頻比控制方式精度最低，用于一些對調(diào)速要求不高的場合；直接轉(zhuǎn)矩控制直接控制電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，控制性能良好，但對硬件要求很高，成本過高，不利于推廣；矢量控制將勵磁和轉(zhuǎn)矩通過坐標(biāo)變換解耦，進(jìn)而控制交流電機(jī)電流和磁鏈，具有良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)差頻率控制利用轉(zhuǎn)差體現(xiàn)負(fù)載變化，在負(fù)載急劇變化時仍能保持穩(wěn)定，提高了轉(zhuǎn)速控制精度[6-9]。

對于礦用高壓變頻器的設(shè)計研究，本文提出了一種十二脈波整流電路和三電平NPC逆變電路的主電路，采用載波同相層疊調(diào)制，并通過基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該方案的調(diào)速性能優(yōu)良，并且簡便易行。

1 主電路結(jié)構(gòu)

中高壓傳動系統(tǒng)相比低壓系統(tǒng)對電路提出更嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)無論是在開關(guān)器件耐壓還是變頻器兩側(cè)電能質(zhì)量上都不再適用礦用高壓環(huán)境。實(shí)驗(yàn)方案在整流側(cè)和逆變側(cè)分別采用十二脈波整流電路和二極管箝位式三電平逆變電路，通過器件串聯(lián)的方式減小開關(guān)器件的耐壓等級。

十二脈波整流器在變壓器二次側(cè)串聯(lián)兩組六脈波整流電路，但通過移相變壓器的繞組接法不同使得兩組整流器產(chǎn)生30°相位差，因此二次側(cè)繞組中的諧波因相位相反在折合中互相抵消。經(jīng)試驗(yàn)證明采用十二脈波整流電路后，一次側(cè)電路中不再含有5、7、19次諧波，減小了整流電路對網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的影響。同時十二脈波直流輸出相比六脈波，電壓脈動更小。

三電平NPC逆變電路加入開關(guān)進(jìn)行輔助箝位，箝位二極管將開關(guān)器件的阻斷電壓箝制在Ud/2，緩解了開關(guān)器件的耐壓問題。逆變電路輸出線電壓是五電平臺階波，相比兩電平逆變輸出更接近正弦波，諧波畸變率更低。

2 三電平SPWM調(diào)制策略

圖1 三電平NPC逆變電路基本單元SPWM工作原理圖

三角載波層疊法由兩組頻率和幅值相同的三角載波分成兩層上下層疊，而且兩組三角載波對稱地分布于橫軸上下，并且用同一個正弦調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制的。根據(jù)兩個三角載波的相位關(guān)系，三角載波層疊法又可以分為載波反相層疊PWM控制法(即兩個三角載波的相位相反)和載波同相層疊PWM控制法(即兩個三角載波的相位相同)。正弦脈寬調(diào)制(SPWM)只要載波比足夠大，得到的PWM波就不含低次諧波，僅有與fc相關(guān)的高次諧波[10-12]，SPWM調(diào)制在逆變器中應(yīng)用的發(fā)展最早，也最為成熟，同時方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，因此選擇本次方案選用載波同相層疊PWM調(diào)制作為本方案調(diào)制策略。

本次三電平逆變電路采用的載波同相層疊PWM調(diào)制原理圖如圖2所示。在正弦調(diào)制波的正半波，將US與UC1進(jìn)行比較，在調(diào)制大于載波的時刻輸出“P”狀態(tài)，在調(diào)制波小于載波的時刻輸出“O”狀態(tài)，在正弦調(diào)制波的負(fù)半波，將調(diào)制波US與UC2進(jìn)行比較，在調(diào)制波小于載波的時刻輸出“N”狀態(tài)，否則輸出“O”狀態(tài)。開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓對應(yīng)關(guān)系具體見表1。

圖2 載波同相層疊PWM調(diào)制原理圖

逆變輸出狀態(tài)器件開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4逆變輸出電壓UANP1100Ud/2O01100N0011-Ud/2

3 控制策略

轉(zhuǎn)差頻率控制通過檢測轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率及轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩，礦井下電機(jī)工作在空載、高速運(yùn)行、緊急停車等不同狀態(tài)，負(fù)載變換頻繁，這種方式可以實(shí)現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)差頻率的控制，較好承受急劇速度和負(fù)荷變化，具有較高穩(wěn)定性。同時速度反饋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的高精度控制。矢量控制是建立在等效直流電機(jī)模型上，通過轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)勵磁和轉(zhuǎn)矩的解耦，達(dá)到與直流電機(jī)一樣的優(yōu)良調(diào)速性能。

圖3 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制框圖

轉(zhuǎn)差頻率矢量控制中磁通開環(huán)，保證轉(zhuǎn)子磁鏈大小不變，通過檢測定子電流和轉(zhuǎn)子角速度實(shí)現(xiàn)磁場間接控制。轉(zhuǎn)差矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。建立的轉(zhuǎn)子磁鏈模型由定子電流的勵磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist得到：

兩式中Tr=Lm/Rr，為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，因?yàn)榇磐ú蛔?，pTr=0，因此式(2)中ψr=Lmism。其中ASR輸出定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist，定子電流的勵磁分量ism為給定值。系統(tǒng)采用的電壓型逆變器，需要通過式(3)、(4)將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號：

usm=Rsi1m-ω1σLsist(3)

ust=ω1LSism+(Rs+σLsp)is1t(4)

式中，usm、ust為定子電壓的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，σ為漏磁系數(shù)(σ=1-Lm/LsLr)。usm、ust再經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系/三相靜止坐標(biāo)系的變換(2r/2s)輸出三相調(diào)制信號。

4 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真電路如圖4所示，主要分為主電路和控制電路，主電路部分：十二脈波整流電路子系統(tǒng)、三電平逆變器、LC濾波、高壓異步電機(jī)以及策略母線bus selector?？刂齐娐穭t由轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子磁鏈檢測、坐標(biāo)變換、脈沖產(chǎn)生子模塊等部分組成。

仿真參數(shù)整流三相交流輸入50Hz，3.3kV，電機(jī)參數(shù)設(shè)置額定電壓3.3kV，功率為750kW，頻率50Hz，二對極，Rs=1.405Ω，L1s=0.005839mH，Rr=1.395Ω，L1r=0.005839mH，Lm=0.1722mH，J=0.00131kg·m2；定子繞組自感Ls=Lm+L1s=0.1722mH+0.005839mH=0.178mH；轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=Lm+L1r=0.17722mH+0.005839mH=0.178mH；漏磁系數(shù)σ=1-Lm2/LsLm=0.0641；轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr=Lr/Rr=0.178/1.395=0.127。

5 仿真結(jié)果分析

采用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，主要觀察電機(jī)的調(diào)速性能以及負(fù)載響應(yīng)的穩(wěn)定性。設(shè)定電機(jī)初始空載運(yùn)行，0.26s加入負(fù)載觀察波形，圖5、圖6、圖7分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形、定子電流波形以及轉(zhuǎn)矩波形。

由圖5可知，起動過程中受到非線性因素的影響，波形波動較大，但在0.1s時轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定在1500r/min的轉(zhuǎn)速。在0.26s加入負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)速在稍有波動后便很快保持在新的穩(wěn)定狀態(tài)，相比空載狀態(tài)轉(zhuǎn)速略有下降，并且在加載后可以看到轉(zhuǎn)矩也是略微波動便很快保持負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。可見采用轉(zhuǎn)差矢量控制的電機(jī)可以迅速對負(fù)載變化做出響應(yīng)，并能迅速調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6、7可以看出，在起動階段定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大，電機(jī)以給定的最大電流起動，轉(zhuǎn)速上升，經(jīng)過0.1s的超調(diào)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，定子電流和轉(zhuǎn)矩也都下降為0，起動過程結(jié)束。

圖4 基于三電平轉(zhuǎn)差矢量控制的變頻器仿真電路

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖6 電機(jī)A相定子電流波形

通過XY GRAPH由isaq和isad進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)時監(jiān)測，轉(zhuǎn)子磁鏈波形如圖8所示。電機(jī)由起動到穩(wěn)定有個磁場建立的過程，開始磁場變化不規(guī)則，也使得電機(jī)初期轉(zhuǎn)矩波動較大，0.05s之后磁場開始規(guī)則變化，到最后穩(wěn)定為圓形磁場。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖8 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈仿真波形

6 結(jié) 語

礦井電機(jī)運(yùn)行效率低下的問題通過高壓變頻器得到了有效改善，而針對礦井高壓環(huán)境，選擇十二脈波整流電路和二極管箝位式逆變電路作為變頻器的主電路，解決了開關(guān)器件的耐壓問題，同時也提高了網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)的電能諧波質(zhì)量。用載波同相層疊SPWM調(diào)制策略調(diào)制逆變輸出電壓，降低了對逆變輸出濾波器的要求，減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。

井下電機(jī)由于運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定性，需要電機(jī)可以快速響應(yīng)負(fù)載變化，選擇轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的策略，轉(zhuǎn)速閉環(huán)減小了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的高精度控制，并提高了系統(tǒng)的抗擾性；矢量控制保證系統(tǒng)在負(fù)載急劇變化下保持穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。