高压绕线电动机转子变频调速技术研究(1).pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0081-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 17330 高 压 绕 线 电 动 机 转 子 变 频 调 速 技F研究 程国栋S 王华平2’ 3， 夏晶晶1 1.中国矿业大学徐海学院， 江 苏 徐 州 221008; 2.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江 苏 常 州 213015 2.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015 , China ; 3. TiandiChangzhou Automation Co. , Ltd., Changzhou 213015, China Abstract In view of problems of technical difficulties, high cost and high voltage requirements for power electronic components in current high voltage wound-rotor motor using stator-side high voltage inverter for frequency conversion speed regulation, a rotor-side frequency conversion speed regulation technology for high voltage wound-rotor motor wa*propo* ed. The technology tran*fered power transation from stator side to rotor side taking advantage of low voltage level on rotor side, frequency conversion speed regulation of high voltage wound-rotor motor was realized through general frequency converter. Mathematical model of vector control system for rotor-side frequency conversion was deduced, and adaptive full-order state stator flux linkage observer was designed. Speed identification was realized according to stator flux linkage observation. Matlab simulation and experimental results verify the correctness and feasibility of rotor-side frequency conversion speed regulation technology. Key words high voltage wound-rotor motor; rotor-side frequency conversion speed regulation technology； stator flux linkage observer; speed identification 收稿日期 2018-05-02;修回日期 2018-06-20;责任编辑 胡娴。 基金项目 2018年江苏省高等学校自然科学研究面上项目（ 18K；D470007。 作者筒介 程国栋（ 1986 ，男，江苏沛县人， 讲师，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，E-mailguodongchengl206163. com。 引用格式程国栋， 王华平， 夏晶晶. 高压绕线电动机转子变频调速技术研究工矿自动化， 2018,4481-86. CHENG GuodongWANG HuapingXIA Jingjing. Study on rotor-side frequency conversion speed regulation technology for high voltage wound-rotor motor[J]. Industry and Mine Automation,2018,448 81-86. . 82 .工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 图1高压绕线电动机转子变频调速系统结构 Fig. 1 Structure of rotor-side frequency conversion speed regulation system for high voltage wound-rotor motor 1 基于定子磁链定向的矢量控制 采用转子变频技术时， 转子绕组进行励磁， 应选 择转子绕组作为参照物。此时， 认为定子绕组以角 速度队旋转[ 5 7]， 磁场旋转速度为与转子电源对应 的同步角速度wi， 可得 式中 o r， o s为旋转坐标系相对转子及疋子绕组旋 转速度;〇 / s 为转差角速度。 参照传统定子变频技术相关理论， 转子变频技 术采用定子磁链定向， 同时考虑定子绕组短接， 此 0引言 高压绕线电动机作为主副井提升机、 带式输送 机 、 通风机及主排水泵等的拖动设备， 其控制性能好 坏不仅影响煤矿安全生产， 还直接影响煤矿的经济 效益。早期的高压绕线电动机控制采用工频直驱方 式 ， 不但会对电网及电动机等造成启动冲击， 还严重 浪费了能源。采用定子侧串联晶闸管变换器、 转子 侧串电阻等软启动方式， 虽可以有效减小启动冲击， 但这些方式本质上属于降压启动， 无法实现调速。 目前， 高性能绕线电动机控制场合多采用定子侧变 频调速技术[13]， 因高压电动机定子电压等级较高， 需 采 用 H 桥级联式高压变频技术， 技术难度较大， 同时所需开关管数量多， 且对耐压值要求高。 为了解决上述问题， 本文研究了一种转子变频 调速技术， 利用高压绕线电动机转子电压等级低的 特点， 将功率变换由定子侧转移到转子侧， 通过较成 熟的中低压变频技术来实现高压绕线电动机的变频 速 ， 性 ， 大大 变 器 成 [4]。 1 理论研究 高压绕线电动机转子变频调速系统结构如图1 所示。针对煤矿井下轴编码器安装困难、 成本高等 问题， 利用定子磁链观测器对转速进行估计， 实现转 子变频无速度矢量控制。 中低压 变频器 有 4 s- s d 8 4n T - 8 I /s d/ s 2 式中 4 s 为定子等效自感； -7， -0分别为定子电流d ， O轴分量;4 m为定转子互感d O 分别为转子电流 d ，轴分量； / d ， /〇分别为定子磁链d ， O轴分量; / s 为 定 子 磁 链 ； ws d，分 别 为 定 子 电 压 d ， 〇轴 分。 参照定子变频时绕线电动机的数学模型， 结合 式（ 1和式（ 2， 得出转子变频时绕线电动机在d〇 坐标系下的数学模型 RsP4sP 0 Imp 0 0 5 s 4 s Rs 5J s 4 m 〇 4 m P 5l 4 m RrP4rP 51 4 r 51 4m 4m P 51 Lr RrP 4 rP. “ 4 式中 M d分别为转子电压d ， 轴分量;Rs， Rr分 别 为 定子和转子等效内阻； 4 r 为转子等效自感; / d，，/ O分 别 为 转 子 磁 链 d，，〇轴 分 量 ； P 为微分 算子。 结合式（ 3和式（ 4， 可得转子变频时基于定子 磁场定向的矢量控制方程式 4m -/s - 0 / d - /rq- 4s 0 4m 0 0 4s 0 4m 4m 0 4r 0 0 4m 0 4r /s / Id tsP 1 Rd drPd R- -rq 8 r Pq 4m “ 4 -P/s d 〇4r5\ -r fsq c 51 Hrird 8 式中Rs为定子回路电磁时间常数f d。 ，f c 为交叉耦合项。 1.2 定子磁链观测器 定子磁链观测器对整个调速系统的性能有重要 影响。传统电压型、 电流型磁链观测器属于开环观 测器， 观测性能较差， 实际应用时需采用补偿措施。 为提高观测精度， 本文采用自适应全阶状态定子磁 相频网相频网 三工电 2 0 1 8 年 第 8 期程 国 栋 等 高 压 绕 线 电 动 机 转 子 变 频 调 速 技 术 研 究. 83 链观测器[ 8 9]， 其本质属于闭环观测器。 系上的状态方程为 转子变频时， 绕线电动机在cr/两相静止坐标 r L4R s8 L2Rr 0 LmR s L L〇L\Lr Pi ra 0 L4Rs 8L2RrLm. s PL2Lr L s Lr P t aaLm 0 一 1 t st s 0 4 .s t 式中 U p 分别为转子电流a ， /轴分量； s a， s / 3 分 别为定子磁链U， 轴分量；， 仏/3分别为转子电压 a ， 夕轴分量。 根据式（ 6， 同时利用转子电流估算误差加以补 偿[ 1 0 12]， 建立定子磁链观测器 x 8 〇u 8 GCi r 5, 7 at 5r Cx 8 式中 X为状态变量， X a ta也为 输入变量，m [ 〜 〜 〇 〇 ]T55分别为转子 电 流 实 际 值 、观 测 值 ，5r [ a ] ，5r ] ; ， ，C均 为 系 数 矩 阵 ，A r L2 m Rs 8L2RrT 4 2 4 -L 4 R. * * L / , 4/ * , -T 8 . S J 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 1 C 0 0 0- 0 0 1 为增益矩阵。 为提高磁链观测器的动态性能及稳定性， 利用 极点配置法确定增益矩阵 1 2 3 H g Hi H Ha - “ Lm 〇js jL sLr Lm R* L L Lr 0 0 0 0 0 0 Lr 0 0 0 0 0 0_ W r / 3 0 6 t Hi “ 1 g2 “ 1. Ha “ 1 c了为积分算法。 图2自适应全阶状态定子磁链观测器结构 Fig. 2 Structure of adaptive full- 〇 r er state stator flux linkage observer 1. 3 转速辨识 为解决煤矿井下轴编码器安装困难、 成本较高 等问题， 在定子磁链观测器基础上进行速度估算。 基于自适应全阶状态观测器的转速辨识电路如图3 所示， 其中 ，W ra ，W r b ，Wj c 为压;a r b r c 为 。 利用李雅普诺夫稳定定理得到转速自适应律 84 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 2.2 磁链观测器仿真 传统电压型定子磁链观测器仿真波形及自适应 全阶状态定子磁链观测器仿真波形分别如图4、 图 5 所示。 图 4 和 图 5 表明， 相比于开环磁链观测器， 自适 应全阶状态观测器更精确， 为实现转子电流转矩分 量和励磁分量独立控制提供了前提条件。 观 测 值 0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 时 间 /s 图图4传统电压型定子磁链观测器仿真波形传统电压型定子磁链观测器仿真波形 Fig. 4 Simulation wave of traditional voltage type stator flux observer 图图5自适应全阶状态定子磁链观测器仿真波形自适应全阶状态定子磁链观测器仿真波形 Fig. 5 Simulation wave of adaptive full-order state stator flux observer 2 7 转速辨识仿真 对煤矿提升机实际运行情况进行仿真， 仿真条 件 s 时控制器发出启动指令， 电动机以额定负载 启动;初始给定转速为； 00 r/min， 1 s 时刻跃变为 1 400 r/min， 2 s 时刻跃变为0电动机停止） ， 3 s 时 刻跃变为一 1 400 r/min， 即电动机反向运行。实际 转速与辨识转速曲线如图 所示。 图 6 表明， 启动后， 电动机能够快速响应给定转 速变化， 加减速过程平稳； 此外， 辨识转速能很好地 跟踪实际转速， 稳态时转速辨识误差几乎为零;低速 段启动过程转速辨识误差略大。 电磁转矩曲线和全过程A 相电流曲线分别如 图 ； 、 图 8 所示。 图 7 和 图 8 表明， 启动后， 电动机的电磁转矩快 速上升至启动转矩（ 1. 5 倍额定转矩 并保持恒定， 图图3自适应全阶状态定子磁链观测器的转速辨识电路自适应全阶状态定子磁链观测器的转速辨识电路 Fig. 3 Speed identification circuit of adaptive full-order state stator flux observer c〇s EpJ J 5r 5r 8 K{ irdt F J 5r5r 11K K s 式 中 Kp， K i分别为比例、 积分系数。 将式（ 11以标量形式表示， 可得基于自适应全 阶状态观测器的转速辨识自适应律[1314] .Kp 8 S“ 1 -7/ -O / s 7] 12 从式（ 12可以看出， .的自适应规律为一种PI 型的自适应率， 图 3 中的转速自适应算法可以用 Kp K s来代替。 2仿真分析 2. 1 仿真参数设置 为研究绕线电动机转子变频调速技术的可行 性 ， 验证自适应全阶状态定子磁链观测器及转速辨 识的正确性， 利 用 Matlab进行仿真， 仿真用参数见 表 1。其中，PN为额定功率， 仄8为额定电压， /N为 额定频率， 乃为额定转矩，Np为电动机极对数。 表表1转子变 频 调 速 技 术 仿转子变 频 调 速 技 术 仿真参数参数 Table 1 Simulation parameter of rotor-side frequency conversion speed regulation technology 参数参数数值数值参数参数数值数值 PN/kW2. 2 *s/n 1. 91 Ur8/5 260Rr/n1. 45 /n/Hz50Lm/mH235.07 Te/N m15Ls/mH249.39 Np2 Lr/mH249.39 8 6 4 2 - 0 - 0 - 0 - 2 4 6 8c a a a a 1 i i i i 1/钼遵 2 0 1 8 年 第 8 期程 国 栋 等 高 压 绕 线 电 动 机 转 子 变 频 调 速 技 术 研 究 85 动机恒加速启动。 1410r 1405 | 1400 1395 1390 1385 1380 实际转速 1.65 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 2.05 2.10 时间/s b 稳 态 过 程 实 际 转 速 与 辨 识 转 速 曲 线 “ 启 动 过 程 实 际 转 速 与 辨 识 转 速 曲 线 图 6实际转速与辨识转速曲线 Fig. 6 Actual speed and identification speed curves 3 实验验证 对绕线电动机 变频技术 性 实验 时间/s 图 8全 过 程 A 相电流曲线 Fig. 8 Whole process A phase current curve 验证， 实验用电动机参数见表1。实验时， 转速给定 初始值为0. 4 pu， 稳定运行后阶跃升至0. 8 pu。 因实 验条件有限， 电动机处于空载状态。定子磁链观测 器波形和转速响应曲线分别如图9、 图 10所示。 Tek 儿 S to p M Pos0.000 s CH4 耦合 \ A A A A A A A 带宽限制 0 2 0 0 M Hz V/格 / w iimiim V V V V V V V V V 探头 10 x Voltage h.rri.li.rrhr 反相 CH2 2.00 V CH3 2.00 V M 25.0 ms 2017-02-11 CH3,0.00V 30.533 7 Hz 图 9定子磁链观测器波形 Fig.10 Speed response curve 图 9 和 图 10表明， 电动机实际运行过程中， 自 适应 磁链观测器的观测效果较好； 利 用估算转速 控制时， 电动机可快速、 精确地加速 到 ， 给定转速变化时， 电动机亦能快速响应， 验 绕 线 电 动 机 变频技术 性 。 0 0 5 0 -T v/M tf 恶 V 86 工 矿 自 动 化2 0 18 年 第 4 4 卷 4结语 针对目前高压绕线电动机变频调速系统存在的 问题， 研究了一种基于定子磁链定向的转子变频调 速技术。利用自适应全阶状态观测器对定子磁链进 行观测， 确保转子电流励磁及转矩分量的解耦控制 利用定子磁链观测器进行转速辨识， 解决了煤矿井 下轴编码器安装困难的问题。通过仿真验证了自适 应全阶状态观测器的精度较好， 通过硬件平台验证 了高压绕线电动机转子变频调速技术的可行性。 参 考 文 献 （ References 1 *苏长 胜 . 矿 井 提 升 机 控 制 技 术 研 究 现 状 与 发 展 [R].工 矿 自 动 化 ， 2013,392 33-38. 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