大功率双机拖动型矿井提升机变频调速技术研究

摘要：主要介绍了一种大功率双机拖动型矿井提升机变频调速装置的研究与应用，采用矢量控制技术，实现了提升全过程变频调速控制。

关键词：大功率;双机拖动;提升机;高压变频

一、引言

在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。因此，要求矿井提升机拖动系统具有安全可靠，运行高效且定位准确的能力。

我国矿井提升机匹配交流异步电机拖动容量在1000KW以上的，多采用双电机拖动形式。以淮北矿业股份有限责任公司桃园煤矿主井提升机为例，该提升机型号为JKM-3.25/4Ⅱ，减速机型号为ZHD2R-140K;采用两台异步绕线型电动机拖动，电机型号为YR800-16/1730，800KW。原有提升电控系统采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。系统主要缺点表现在：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。

2009年，淮北矿业股份公司与北京合康亿盛变频科技股份有限公司进行合作，开发研制了HIVERT-YVF型大功率双机拖动型矿井提升机四象限高压变频调速装置，采用有速度传感器矢量控制的高压变频器以“一拖二”的方式来实现高精度、大转矩调速控制，在桃园矿主井提升机上进行了成功应用。

二、研究的内容和方法

本项目主要研究内容为采用一台有速度反馈矢量控制变频器同时拖动两台异步电机，实现两台电机输出同样的转矩电流、励磁电流、转矩、功率分配均匀，整个调速范围内平滑无脉动，低速运行平稳，电流波形正弦度高。

本项目研究方案主要有以下特点：

1、采单套变频器拖动两套异步电机，实现了现场设备少，安全系数高，系统也得到了单变频拖到单电机的高可靠性。

2、单套变频器驱动双电机的时候，由于双电机为硬连接驱动，其实负载为同一负载，这个时候，从理论上来说，因为双电机为同型号电机，基本特性一致，可以理解为双电机也就是为单电机的双绕组。经过实验及现场验证，所得到的效果确实为一电机的效果。

3、考虑到系统的安全、稳定性，在拖动系统中采用了主从控制系统中的速度随从控制，在出现单台电机出现意外的时候，起到预防型作用。在双电机尾端采用了轴编码器测试实际单电机转速，双机中任何一台可做为主机，另外一台作为从机。

三、矢量控制四象限变频器“一拖二”可行性分析

矢量控制变频器实现一拖二的基本条件是2台电机参数完全相同或者接近。轴端硬连接双电机系统较单电机提升系统有诸多不同，尤其在传动部分有很大区别，减速机可以简单理解为3个齿轮咬合，2个主齿轮分别由2台电机拖动，与两个主齿轮同时咬合的半径较大副齿轮的出轴端与滚筒相连。只要2台电机转速、转向保持一致，既可以保证整个系统的传动正常运作。

由于这种双电机硬连接方式在硬件条件上已经限制了在滚筒的终端转速是绝对一致的，假设2台电机的电动负载出现了不平衡现象，那反映到转速上2台电机仍然是一样的，只是其中一台电机在带动另一台电动运行，一台反而在发电运行。所以简单来说，只要保证了2台电机的转矩电流一致，即可保证电功率的平衡，并且转速已经一致，那么速度传感器只需要2台电机中的一个即可保证双电机系统的正常运行。

那么如何来保证2台电机的转矩也就是出力一致呢?

首先我们从异步电机的等效电路来分析对于两台电机的数学模型基本参数如何建立：

上图是异步电机等效电路，U1为外加电压、R1定子电阻、L1定子电感、R2转子电阻、L2转子电感、Rm励磁电阻、Lm励磁电感、I0励磁电流、I1定子电流、I2转子电流、S为转差率。单台电机如此，假设两台电机并联，从上图可以看出，并联后电机等效参R1、L1、R2、L2、Lm数值均为单个电机参数的1/2，而空载励磁电流I0为单个电机的2倍。而转子时间常数的计算方法如下，Tr为转子时间常数：

由上公式可以看出转子时间常数只与3个参数有关系，而随着总电流的同倍增大，

的关系一直保持不变，所以Tr也是个常数与单台电机数值一致。由此看来，只要两台电机的等效数学模型一样或接近，即可将双电机系统当作一台双绕组电机来处理，只是励磁电流与转矩电流加倍而已。

图2 矢量控制框图

HIVERT-YVF系列变频器采用有速度传感器矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。控制原理框图如上图。