提高變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的策略研究

閆 珂

（大同煤礦集團(tuán)大斗溝煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

目前，根據(jù)節(jié)能減排所提出的需求，礦井提升機(jī)所采取的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)從工頻轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l，這種轉(zhuǎn)變不僅可以增強(qiáng)提升機(jī)的節(jié)能性，而且可以使其具備調(diào)速性能，因此，對(duì)于提升機(jī)而言，變頻器所具有的性能對(duì)其運(yùn)行有著直接的影響[1-2]。

但是，實(shí)際開采的礦井大多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，從配電網(wǎng)的層面來講，在配電網(wǎng)的末部，距離較長(zhǎng)的輸電線將會(huì)使電網(wǎng)的等值阻抗持續(xù)擴(kuò)大，甚至?xí)a(chǎn)生弱電網(wǎng)的特征。而在對(duì)提升機(jī)變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程一般都是處于理想電網(wǎng)中來進(jìn)行，即不對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存在的電網(wǎng)阻抗進(jìn)行考慮，當(dāng)該阻抗數(shù)值過大時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際性能將會(huì)與預(yù)期存在較大的區(qū)別，甚至?xí)棺冾l器失去穩(wěn)定性。提升機(jī)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，這不僅會(huì)對(duì)礦井的生產(chǎn)活動(dòng)造成影響，而且會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)問題，因此，在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必須充分考慮電網(wǎng)阻抗所產(chǎn)生的影響，確保系統(tǒng)具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，即系統(tǒng)的穩(wěn)定域[3-4]。

本文首先針對(duì)該提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并建立起有效的模型，并根據(jù)該模型來研究等值電感對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，為了解決該系統(tǒng)在傳統(tǒng)控制模式下不具備較強(qiáng)穩(wěn)定域的問題，引進(jìn)了權(quán)重前饋控制法。該方法可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定域得到極大提升，確保弱電網(wǎng)背景下該提升機(jī)具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性。最后，建立有效的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)控制方案及理論分析進(jìn)行有效的驗(yàn)證[5-6]。

1 創(chuàng)建變頻器的數(shù)學(xué)模型

圖1 所示為該提升機(jī)所運(yùn)用的主電路拓?fù)鋱D。交流電源首先通過開展整流操作來將其轉(zhuǎn)換成為直流電壓Udc，然后再借助變頻器所輸出的交流電來帶動(dòng)提升機(jī)的運(yùn)動(dòng)。在生成相應(yīng)的控制指令之后，通過這些指令來得到逆變輸出電壓所具有的給定值，即u*out，并將該數(shù)值與實(shí)際數(shù)值uout進(jìn)行對(duì)比，從而取得誤差信號(hào)，然后再利用諧振控制器來得到所需的輸出量，并將其與濾波作用之后的并網(wǎng)點(diǎn)的電壓相互疊加，與三角載波相互比較分析，以取得變頻器內(nèi)各個(gè)開關(guān)所需的信號(hào)。值得關(guān)注的是，在進(jìn)行疊加之后，變頻器的啟動(dòng)電流不斷降低、啟動(dòng)性能不斷增加，這就是電網(wǎng)電壓前饋[7-8]。

圖1 變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)電路拓?fù)?/p>

圖1 中：Ug為電網(wǎng)電壓，Lg、Rg為電網(wǎng)等值阻抗的電感及電阻分量，upcc為并網(wǎng)電壓，Udc為整流后的直流電壓，uin為變頻器交流一側(cè)的逆變輸出電壓，RL、L為濾波器存在的等值電阻及電感，uout為提升機(jī)一端的電壓，iout為變頻器的輸出電流，M為電機(jī)，GF（S）為電壓采樣低通濾波器，Gi（S）為電流控制器，u*out為變頻器輸出電壓的設(shè)定值，SPWM正弦脈調(diào)制環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖1 中的各個(gè)變量之間的關(guān)系來得到提升機(jī)的控制系統(tǒng)圖，見下頁(yè)圖2。

圖2 中，E（S）為偏差，Gg（S）為電網(wǎng)阻抗存在的拉普拉斯變換，Ppwm（S）為正弦脈調(diào)制過程中存在的延遲，GP（S）為提升機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

Gg（S）、GF（S）、Gpwm（S）和GP（S）的表達(dá)式：

圖2 變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖

式中：Ts為數(shù)字控制算法的執(zhí)行周期；ωc為信號(hào)采樣低通濾波器所具有的截比頻率；Q為品質(zhì)因數(shù)；Lm、Rm為折算結(jié)束后提升機(jī)的電機(jī)電感及電阻。

令D（S）=1-GF（S）Gpwm（S）、GL（S）=1/（RL+Ls），根據(jù)圖2 可以得到的變頻器輸出電壓的偏差：

式（5）中存在的極點(diǎn)主要為提升機(jī)控制系統(tǒng)中的閉環(huán)極點(diǎn)，通過運(yùn)用這一極點(diǎn)可以對(duì)弱電網(wǎng)下系統(tǒng)具有的穩(wěn)定域進(jìn)行分析。

2 弱電網(wǎng)背景下系統(tǒng)具有的穩(wěn)定域

2.1 采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行控制的穩(wěn)定域

為了對(duì)驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)系統(tǒng)在弱電網(wǎng)背景下所具有的穩(wěn)定域進(jìn)行分析（見圖2），首先要設(shè)定調(diào)速系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)：電網(wǎng)電壓Ug為220 V，額定電流I1為50 A，控制系統(tǒng)頻率fc為5 000 Hz，輸出濾波電感L為0.8 mH，濾波電感電阻R1為5 mΩ。

通過式（5）的計(jì)算可以得出系統(tǒng)所具有的閉環(huán)極點(diǎn)，并將電網(wǎng)存在的等值電感作為其變化量，依靠MATLAB 來取得相應(yīng)的閉環(huán)跟軌跡，如圖3 所示?？芍?dāng)Lg提升至0.2 mH 的時(shí)候，系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)將逐漸轉(zhuǎn)移到圓的邊界，此時(shí)系統(tǒng)將會(huì)保持穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，在采用傳統(tǒng)控制模式的時(shí)候，該系統(tǒng)在弱電網(wǎng)下不具備較大的穩(wěn)定域，僅僅是[0，0.2]mH，這就表明：在處于較大電網(wǎng)阻抗的工況下，變頻驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)將會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行造成極大的影響。

2.2 分析系統(tǒng)改良之后的穩(wěn)定域

圖3 弱電網(wǎng)下采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)的穩(wěn)定域分析

通過上述所開展的分析可知，如果提升機(jī)采取了傳統(tǒng)的控制模式，其不具有較大的穩(wěn)定域，為了斷擴(kuò)大該穩(wěn)定域，系統(tǒng)采用了權(quán)重前饋的控制模式，其原理見圖4。該模式與傳統(tǒng)的模式存在著較大的差別，在前饋通道中將G（FS）與權(quán)重因子KW相乘，其變化維持在0～1 之間，根據(jù)相關(guān)研究可知，系統(tǒng)的穩(wěn)定域?qū)?huì)隨著衰減因子的減小而逐漸增加，但是其速率也會(huì)越差，因此，在確定衰減因子的時(shí)候，必須對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行具有的穩(wěn)定性及效率進(jìn)行充分考慮。在保證其他參數(shù)固定不變的時(shí)候，當(dāng)KW的數(shù)值等于0.75 的時(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)形成相應(yīng)的閉環(huán)根軌跡，如圖5 所示。由此可知，此時(shí)該系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大。而在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)更加重視系統(tǒng)的穩(wěn)定域，盡可能降低權(quán)重因子。

圖4 基于權(quán)重前饋的變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖

圖5 弱電網(wǎng)下采用改進(jìn)控制策略時(shí)變頻器驅(qū)動(dòng)型提升機(jī)的穩(wěn)定域分析

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)上述理論分析的科學(xué)性進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來檢驗(yàn)理論分析的科學(xué)性，詳見圖6—圖10。

圖6 弱電網(wǎng)下采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)變頻器輸出電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采取傳統(tǒng)控制措施之后，在電網(wǎng)等值電感Lg達(dá)到0.25 mH 之時(shí)，變頻器的輸出電壓見圖6，由此可知，該輸出電壓產(chǎn)生了嚴(yán)重的振蕩，系統(tǒng)運(yùn)行開始不穩(wěn)定，此時(shí)提升機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速見下頁(yè)圖7?？梢?，提升機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電壓的振蕩而出現(xiàn)劇烈的振蕩，對(duì)礦井生產(chǎn)的安全性造成了極大的影響。

為了進(jìn)行有效對(duì)比分析，在運(yùn)用權(quán)重前饋之后，當(dāng)Lg達(dá)到1.15 mH 時(shí)，變頻器的輸出電壓詳見圖8，由此可知，該輸出電壓具備較好的正弦度，此時(shí)提升機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速見圖9，可知該變頻器驅(qū)動(dòng)的提升機(jī)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)結(jié)果顯示權(quán)重前饋控制措施的應(yīng)用可以極大提升弱電網(wǎng)背景下系統(tǒng)的穩(wěn)定域，證實(shí)了上述研究的科學(xué)性與權(quán)重前饋控制措施的有效性。

圖10 所表示的為提升機(jī)運(yùn)用改良控制措施之后的提速效果，由此可知，當(dāng)關(guān)于轉(zhuǎn)速的指令產(chǎn)生變化時(shí)，提升機(jī)應(yīng)當(dāng)對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，之后再恢復(fù)穩(wěn)定，并且在該過程中提升機(jī)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。

圖7 弱電網(wǎng)下采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)提升機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 弱電網(wǎng)下采用改進(jìn)控制策略時(shí)變頻器輸出電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)階段礦井生產(chǎn)所運(yùn)用的變頻器驅(qū)動(dòng)提升機(jī)，通過對(duì)其在弱電網(wǎng)背景下所具有的穩(wěn)定域進(jìn)行分析可以得出，在以往采取的控制方案中，該類提升機(jī)不具有較大的穩(wěn)定域，為了擴(kuò)大弱電網(wǎng)下系統(tǒng)的穩(wěn)定域，本系統(tǒng)采取了權(quán)重前饋控制方案，通過進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在采取該方案之后處于弱電網(wǎng)背景下系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定域就會(huì)取得較大的增加。最后創(chuàng)建了一個(gè)穩(wěn)定的試驗(yàn)體系，其結(jié)果顯示上述所進(jìn)行的分析具有較強(qiáng)的科學(xué)性、權(quán)重前饋的控制策略具有較高的有效性。

圖9 弱電網(wǎng)下采用改進(jìn)控制策略時(shí)提升機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 弱電網(wǎng)下采用改進(jìn)控制策略時(shí)提升機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果