淮北矿业集团童亭煤矿保运一区
【摘 要】通过对童亭煤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】矢量控制；高压变频器；副井提升机；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。通过对童亭煤矿副井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
童亭煤矿副井提升机由洛阳矿山机械厂生产，提升高度528.5m，电机：TR800-12/1430，JTDK-ZN控制系统。增加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。
三、设备原理
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。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。
如果要从两相坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换），可利用增广矩阵的方法把 扩成方阵，求其逆矩阵后，再除去增加的一列，即得
（1-1）
（2）两相-两相旋转变换（2s/2r变换）
两相静止绕组ab，通以两相平衡交流电流，产生旋转磁动势。如果令两相绕组转起来，且旋转角速度等于旋转磁动势的旋转角速度，则两相绕组通以直流电流就可以产生同样的旋转磁动势。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换称作两相-两相旋转变换，简称2s/2r变换。
两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵
（2-1）
电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。
3、转子磁链方程
按转子磁链定向同步旋转坐标系MT中的状态方程 令dq坐标系与转子磁链矢量同步旋转，且使得d轴与转子磁链矢量重合，即为按转子磁链定向同步旋转坐标系MT。异步电动机按转子磁链定向同步旋转坐标系MT中的数学模型与直流电动机的数学模型完全一致。若以定子电流为输入量，按转子磁链定向同步旋转坐标系中的异步电动机与直流电动机等效。使转子磁链 仅由定子电流励磁分量 产生，而电磁转矩 正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积 ，实现了定子电流两个分量的解耦。因此，按转子磁链定向同步旋转坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。
4、等效后的转矩公式
以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的定子交流电流iu、iv、iw通过三相/两相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流iα、iβ，再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流im、it。转矩公式为：
（3-1）
其中lm-互感 lr-自感 np-极对数 Ψ2-转子磁链
四、实际应用
在副井绞车初期调试中。试运行发现重勾正力提升时，在低速爬行段电流有振荡现象，出现齿槽效应，电机转矩不足，机体震动幅度大，撞击减速器发出冲击响声，变频器出现限流告警跳断路器。在确认外部电路完好的基础上，我们需要结合原理知识分析变频器力矩输送原因。
HIVERT-Y（T）VF高压变频器PID调节器D取0，故称为PI调节器。其转速环，电流环皆采用PI调节器，比例部分起快速调节作用，积分部分消除稳态偏差。当输入是误差函数e（t）、输出是u（t）时，PI调节器是传递函数为
空载电流即等效变换前的定子电流。此数值根据电机原始数据及经验得出的理论数值，然而往往因为转子导杆连接、转子长期运行，滑环碳刷接触面等不可避免的原因与实际真实数值造成了偏差，通过自感与互感的参数，影响到了电流环的闭环准确调整。故我们最后舍弃了理论数值。打开了电机与减速器的联轴器，空载运行，实际测量空载电流，确定空载电流27A的设置。
转速的PI调节器通过对转子转速的测量，来控制转差角频率，与转子时间常数T，控制转子磁链Ψ2，由于开始使用的轴编码器采用的滑动硬连接，造成数值丢数现象，后根据电机机轴有串动的特点，采用了软连接的方式。安装正确后，在往后的反复调试中确定了PI参数。电流的PI调节器设置决定了等效后的直流电流it，直接影响着转矩的输出经过反复的调整及计算后，确定了一套参数调整数据方案，运行12小时后，没有再发现故障。
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：
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[2] 李发海，王岩，《电机与拖动基础》 2003.1
[3] 陈伯时 《电力拖动自动控制系统》 2004.4
[3] 《合康通用高压变频器用户手册》 2009.1
论文作者:代岩
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9期
论文发表时间:2016/9/5
标签：绕组论文; 电流论文; 坐标系论文; 转子论文; 两相论文; 变频器论文; 矢量论文; 《低碳地产》2016年9期论文;