矿山电力牵引系统主动热均衡控制方法.pdf

第 4 2卷 第 5 期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 5 M a y 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 5 0 0 5 1 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 1 2 杨枭 ， 厉彦江 ， 郭单． 矿山电力牵引系统主动热均衡控制方法E J - i ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 5 5 1 5 5 ． 矿山电力牵引系统主动热均衡控制方法 杨枭 ， 厉彦江 ， 郭单 1 ． 北京矿冶研究总院 ， 北京1 0 0 1 6 0 ； 2 ． 东北大学 流程工业综合 自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 4 摘要 针对矿山电力牵引系统的发热问题， 提 出一种矿山电力牵引系统主动热均衡控 制方法， 即通过 实 时反馈 系统的温度信号， 完成对电动机 定子电流幅值 、 驱动 系统开关频率等参数的在 线 自调节； 提 出一种基 于温度反馈的 d， q轴电流矢量优化计算方法， 使 系统运行 于全局效率最大的工作特性曲线； 基 于 1 5 k w 永 磁 同步电动机调速 系统实验平 台对矿 山电力牵引 系统主动热均衡控制方法进行 了可行性验证 。实验结果表 明 ， 该 方法 可在保证 矿 山电力 牵 引 系统动 态 、 稳 态性 能 的 同时 ， 降低 系统的热 点峰值 。 关键词 矿山电力牵引系统 ； 主动热均衡控制 ；永磁同步电动机 ；驱动 系统 ； 效率优化 中图分类号 TD 6 3 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 2 7 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 2 9 ． 1 1 2 7 ． 0 1 2 ． h t m1 Ac t i v e t h e r ma l ba l a nc e me t ho d o f mi n e e l e c t r i c t r a c t i o n s y s t e m YANG Xi a o ， LI Ya n j i a n g ， GUO Da n 。 1 ． Be i j i n g Ge n e r a l Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y ，Be i j i n g 1 0 0 1 6 0 ，Ch i n a； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S y n t h e t i c a l Au t o ma t i o n f o r Pr o c e s s I n d u s t r i e s ，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t An a c t i v e t h e r ma l b a l a n c e me t h o d o f mi n e e l e c t r i c t r a c t i o n s y s t e m wa s p r o p o s e d t o s o l v e t h e s y s t e m h e a t i n g ，wh i c h c o mp l e t e d o n l i n e s e l f a d j u s t me n t o f mo t o r s t a t o r c u r r e n t a mp l i t u d e a n d s wi t c h i n g f r e q u e n c y o f d r i v i n g s y s t e m b y r e t u r n i n g t e mp e r a t u r e s i g n a l o f t h e e l e c t r i c t r a c t i o n s y s t e m i n r e a l t i me ．An op t i mi z e d d， q a x i s c ur r e nt ve c t o r c a l c ul a t i o n me t ho d ba s e d on t he t e mpe r a t ur e s i gn a l wa s pr o p os e d，whi c h 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 - 0 6 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 3 2 1 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 7 7 0 2 0 。 作者简介 杨枭 1 9 8 9 一 ， 男 ， 辽宁沈阳人 。 工程 师 ， 硕 士， 主要从事有色金属冶炼厂供配 电及 电气 自动化工程设 计工作 ， E - ma i l b j k y y x 1 2 6 c orn。 [2] [3 ] [4 ] [5 ] [6 ] 李 志勇．硬 轴联 结多 电机功 率平 衡控制 方法 E J ] ． 电 机 与控制学 报 ， 2 0 0 9 ， 1 3 3 3 9 8 4 0 1 ． 王 中华 ， 陈勋 ， 杨光辉．煤 矿井下输 送机 多电动机 功 率平衡研究E J ] ．煤矿机 械，2 0 1 3 ， 3 4 8 6 1 6 4 ． 徐鲁辉 ， 李福东 ， 张超 ， 等．多机驱动带式输送 机功率 平衡 的研究 与分 析 E J ] ．工 矿 自动 化 ，2 0 1 1 ， 3 7 5 6 3 6 6． 陈余． 基 于智 能算 法的模糊神经 P I D技术 的煤 矿井 下 带式输送机控制研究 [ J ] ．煤矿机械 ， 2 0 1 4 ， 3 5 4 3 9 4l I 付周兴 ， 赵峻 岭 ， 郝帅． 多电机驱动带式输送机 系统的 功率平衡控制 E J ] ． 西安科 技 大学学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 4 [7 ] [8 ] [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] 4 78 481 ． 孙伟 ， 王 慧， 杨海群． 带式输送机变频调速节 能控制系 统研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 4 9 8 1 0 1 ． 潘志勇．王 庄煤 矿井下 带式输 送机 自适应 控制 系统 的设计[ J ] ．煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 8 1 5 4 1 5 6 ． 王福忠 ， 王 晓丹 ， 王珊．基于 P L C的多 机驱动带式 输 送机控 制 系 统 的硬 件 设 计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 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系 统 在 矿 山 生 产 运 输 中必 不 可 少 ， 一般 由体积小 、 重 量轻 、 效率高 的永磁同步电动 机及 其 驱动 系统组 成 。随着 矿 山 电力 牵 引系统 电磁 转 矩持 续增 长 ， 功率 密度 日益增 大 ， 发热 问题也 逐 渐 显 现 出来 ， 不利 于系 统可靠 运行 。 矿 山 电力牵 引系 统 的发热来 自电动 机损耗 和驱 动系统损耗 。电动机损耗主要包括铜损 、 铁损 、 机械 损耗等L 1 ] 。驱动系统损耗主要为 I G B T开关损耗 。 目前矿 山 电 力 牵 引 系 统 一 般 采 用 最 大 转 矩 电 流 比 Ma x i mu m To r q u e P e r Amp e r e ， MTP A 方法 “ j ， 使 电动机在输出相同电磁转矩 的条件下定子电流最 小 ， 从 而减 小 电动 机 和驱 动 系 统 损 耗 ] 。但 该 方 法 未将温度信号引入控制 回路 ， 且没有考虑驱动系统 开关频率对发热的影响， 系统损耗降低程度有限。 本文 提 出一种 矿 山 电力 牵 引系统 主动 热均衡 控 制 方法A c t i v e Th e r ma l B a l a n c e Me t h o d ， ATB M 。该 方 法在 MTP A 方法 基 础 上 ， 通 过 实 时 反馈 矿 山 电力牵 引 系统 的温 度 信 号 ， 完 成 对 电动 机 定子电流幅值 、 驱动系统开关频率等参数的在线 自 调节 ， 并基于温度信号优化 电动机 d， q轴 电流矢量 计算方法 ， 使系统运行于全局效率最大 的工作特性 曲线。基于 1 5 k W 永磁同步电动机调速 系统实验 平 台验证 了该方 法 的可 行 性 ， 结 果 表 明该 方法 可 在 保证矿山电力牵引系统动态、 稳态性能基础上 ， 降低 系统的热点峰值 。 1永磁 同步 电动机 模 型及 MT P A方 法 图 1为以永磁同步电动机为牵引电动机的矿山 电力 牵 引 系统 调 速 原 理 。其 中 U 为 电源 电压 ， ， ， U 为驱动系统输 出的相 电压 ， s 为 I G B T功率 开关 一1 ， 2 ， ⋯， 6 ， U 为电压空间矢量 。将静止 a 坐标系转换成旋转 q坐标系 ， q坐标系下的电压、 转矩 方 程为 d Ld Ri d一 c J L 口 i q 1 一 L Ri 十 d 叫 2 T e 一昔户 E g G／ 。 一 L 一L d d i ] 3 T 一 T【 J B u J Td O O m 4 式 中 V d ， 分别 为 电动机 定子 d， q轴 电压 ； i ， i 。 分 别 为 电动 机定 子 d， q轴 电流 ； L ， L 。 分 别 为 电动 机 定子 d， q 轴 电感 ； R 为定 子 电阻 ； ∞ 为 电角速 度 ； T 为电动机电磁转矩 ； P为电动机极对数 ； 为永磁 体 的励磁 磁链 ； T 为负载 转矩 ； B 为 电动 机 摩擦 因 数 ； 为 电动机 负载 转动惯 量 。 o l O u 2 1 l 0 、 ． ． I “ 0 0l 1 Ⅱ f 1 0l 1 a 永磁 1司步 电动 机 系统 结 构 b 电 压 空 间 矢 量 图 1 矿 山电力牵 引系统调速原理 将 i ， i 。用 定 子 电 流 幅 值 和 电 流 角 度 表示 』 m 。 。 5 I i 。一 s i n 将式 5 代人式 3 ， 得到定子电流幅值 与电 磁转矩 丁 和电流角度 的关系。在 电磁转矩 了 、 一 定的条件下 ， 定 子电流幅值 仅 与电流角度 有 关。因此 ， 用定子 电流幅值 对 电流角度 求导 ， 可得 MTP A控制条件 一 gq -- L C O S 2 一 c 。 s 一 0 6 化简式 6 得 一rcc。s[ 4 L 等 L I L 一 因此对于永磁 同步 电动机， 在求得最优 电流角 度 后 ， 可 实 现 电 磁 转 矩 一 定 的 情 况 下 定 子 电 流 最小 。 2 0 1 6年第 5期 杨枭等 矿山电力牵引系统主动热均衡控制方法 5 3 2 驱 动 系统 散热 模型 3 矿 山 电力 牵 引系统 A T B M 对于矿 山电力牵引系统 ， 其驱动系统 的核心组 件为大功率 I GB T。图 2为 I GB T散热模型。I GB T 发热主要 由开关损耗 引起 ， 热量经芯片 、 外壳 包含 焊料 、 铜层和陶瓷压制成的陶瓷金属复合板及基板 传递到散热器 ， 再通过散热器传递到周 围环境 。其 热特性可用三阶 R C热阻抗等效模型表示口 ] Z t h j c ， T R II j。 [ 1 一e x p 一t ／ r 1 ] R h h [ 1 一 e x p 一￡ ／ r z ] R h h a [ 1 一e x p 一t ／ r 3 ] 8 式中 Z 为从结温 T W i 到环境温度 T a 的热阻抗 ； r ， r ， 分别 为芯片层 、 外壳层和散热器层 的时间 常数 。 图 2 I GB T 散 热 模 型 针对 I GB T的 R C热阻抗等效模型 ， 本 文采用 常见的稳态热阻等效电路[ 8 计算 I GB T散热系统的 温度 ， 如图 3所示 。其 中 P ．r ， P 。分别为芯片内晶体 管 、 二极 管 的开关 损耗 ； T j ． T ， T j ， 。 分别 为 芯 片 内 晶体 管 、 二极管 的温度 ； R ， R h Ic ， o 分别 为芯 片内晶体 管 、 二极管到外壳 的热阻 ， R ， T R h j c ’ o RI h jc ； R h 为外壳到环境 的热阻 。由于 R 值 远大于 R 和 R 岫 ， 所 以R 与 R “ n ， R 并联 时可忽略不计 。将 I G B T的开关损耗等效 为电流源， 将热 阻等效 为电 阻 ， 将热阻上产生的温差等效为电压。 图 3 稳态热阻等效 电路 利用稳态热阻等效 电路可以计算驱动系统各点 的温度 ， 在热阻参数一定 的条件下 ， 驱动系统的温度 仅与开关损耗正相关。 3 ． 1开关频 率 动 态调 整 参考文献[ 9 1 2 3 指 出， 随着 I GB T功率器件 电 压 、 功率等级的提高 ， 其对应开关损耗也加大 。动态 调整 I GB T开关频率可降低其开关损耗， 从而实现 主动热均衡控制。根 据 I GB T数据手册 ， 1 2 5℃时 I GB T开关损耗为 E 。T E T Eo f f ， T A。 ， T B ． T 工 C w ,T ⋯ ⋯ ㈤ 式 中 E E r r ． T 分 别 为 测 试 条 件 下 单 个 I G B T开关 1次、 开通 1次和关断 1次的能量损耗 ； A。 ， T ， B 。 ， ， C 。 ， 分别为测试条件下 开关损耗随电 流变化的二次拟合 曲线系数 ； U， 工 分别为 I G B T实 际电压 、 电流； U ， h 分别为 I G B T参考电压 、 电 流 ； K ， ， K。 。 分别 为 电压 、 电流 幅值对 I GB T 开关 损耗 的影响 系数 。 此时 ， 在 1个 开 关 周 期 内 I GB T 平 均 开 关 损耗 为 P。 ， T f s E 。 ． T 1 0 式 中 为 I G B T开关频率 。 图 4为 P WM 调制下 I GB T开关 损耗仿真 结 果 ， 其中 I GB T导通功率损耗 P 。 ． T 、 关断功率损耗 P。 岍 在全 范 围内呈 周期性 变化 ， 峰值 分别 为 3 O ， 5 O W 螽 一 - 1 一 3 0 5 0 芝4 0 1 0 a P WM 调制波形 0 5 l 0 l 5 2 U 25 30 3 5 40 4 5 时间／ ms b I GB T开关损耗 图 4 P WM 调制下 I G B T开关损耗仿真结果 从式 1 0 可看出， 调整 I B GT开关频率 ， 5 可实 现 I GB T开关损耗的有效修正 。根据 I GB T数据手 册中标称电流与温度 的关系 以及工作温度 范围， 确 定合适的驱动系统温度给定值， 将红外热成像仪 的 5 4 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 测量温度作为反馈值 ， 二者差值送至双线性 曲线模 块 ， 利用该模块的双线性特性产生 I GB T开关频率 的待调整量 ， 实现对 I G B T开关频率的动态调整。 3 ． 2 定子 电流 幅值 自适应修 正 内埋式 永磁 同步电动机没有转子铜损 ， 所 以转 子 内损耗很小。当电动机拖动负载运行时 ， 从 电源 输入的电功率 P i 为 0 P i P P c P F P h 一昔 v a i d v q i 口 厶 1 1 式 中 P 。 为电动机转轴实际输出功率 ； P ， P 分别 为 电动机定子铜损和铁损； P 为 电动机轴承摩擦 的机 械损耗 。 电动机轴承摩擦 的机械损耗 P 与轴承 的加 工 精 度和 润 滑 程度 有关 ； 电动 机 定 子 铁 损 P 与 电 源 电压成 正 比 ， 电 源 电 压 不 变 ， 定 子 铁 损 也 几 乎 不 变 ； 电动机铜损 P 与定子电流的平方成正 比， 因此 当电动机拖动负载运行时 ， 降低定 子电流能够有效 减少 电动 机损 耗 。 本文在 MT P A方法基础上 ， 基于温度反馈值 ， 自适应修正定子电流幅值， 优化 电动机 d， g轴定子 电流矢量计算方法 ， 如图 5所示。其 中 为驱动 系统 温 度设 定值 ； ， a i 分 别 为驱 动 系 统 中 I G B T和二极管 的温度测定值 ； P 1 ， ， P。 ， i 分别 为驱动系统中 I GB T和二极管的开关损耗实时计算 值 ； C ， C t 分别为 I G B T和二极管导热系数 ； ， 、 为环 境 换热 系数 ； 『 I 为 定子 电流 饱和 限幅值 。 限幅模块 图 5 基于温度反馈 的电动机定子 电流矢量计算方法 将驱动系统温度反馈值 T i ， 丁 i 与温度设定 值做差 ， 差值 与经验热阻 C i ／ i ， C t ／ ， { 相乘得到开 关损耗的待修正值 ， 将求 出的定子电流幅值转换为 有效值， 与当前开关频率同时带入式 9 和式 1 0 ， 计算修正前 的开关损耗 ， 与待修正值 叠加求 出修正 后的开关损耗 。然后通过式 9 和式 1 0 的逆运算 及饱和限幅 ， 得到修正后的定子电流幅值 l J l m 。最 后 ， 基于传统 MTP A方法 ， 求出最优 电流角度和 d ， q轴 电流来 驱动 电动机 。 4实验 验证 4 ． 1 实验 平 台及 方案 采 用 如 图 6所 示 的 1 5 k W 永 磁 同步 电 动 机 调 速系统实验平 台来验证矿 山电力牵引系统 AT B M 的可行 性 和有 效 性 。该 实 验 平 台 以 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 型 DS P为核心 ， 主要完成 MT P A核心算法运算 、 通 信 等 功 能 。协 处 理 器 采 用 X i l i n x型 F P G A 和 C P L D， 其中 F P GA主要完成 AD采样 、 数据存储等 功能 ， C P L D主要完成 P WM 状态检测 、 死 区补偿 、 脉冲封锁等功能。 图 6 1 5 k W 永磁同步电动机调速系统实验平台 4 ． 2 实验 结果及 分析 在负载转矩为 5 O N m的条件下， 稳态时电动 机定子电流波形如图 7所示 。可看出电流波形对称 且 均 匀 。 7 5 5 0 垂 2 5 删 一5 0 7 5 o l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 时 间／ s 图 7 矿 山电力 牵引 系统稳态 电流波形 采用 ATB M 时矿 山电力牵引系统动态响应波 形如图 8所示 ， 其 中永磁 同步 电动机稳态运行速度 为 1 0 0 0 r ／ mi n ， 之后将 负 载转 矩 由 5 N r n阶跃 至 2 5 N 1 T I ， 此 时 电磁 转矩 快速 响应 负载 转矩 变 化 响 应时间小于 2 ms ， 可 以限制 电动 机负载 突变时 的 转速跌落。同时， 电动机定子电流逐渐减小 ， 直至完 2 0 1 6年 第 5期 杨枭等 矿山电力牵引系统主动热均衡控制方法 5 5 成对最优 电流角度 的精确 跟踪。整个过 程持续约 1 0 ms。 ≤ 谤 蔷 一 2Ⅱ ls 电磁转矩 ． 定子 电 流 止 ⋯ 一 1■● - ， 定子电流h P A计算值 4 O一 2 0 0蛑 槿 一 图 8矿 山 电力 牵 引 系 统 动 态转 矩 、 电流 波 形 设 置电动机负 载转矩恒 为 7 1 N m， 转速 为 5 O 0 ～ 1 5 0 0 r ／ mi n ， 转 速变 步 长 为 5 0 0 r ／ mi n 。采 用 ATB M 时 ， 矿 山 电力牵 引系 统 的功 率 损耗 如 图 9所 示。可见在 5 0 0 ， 1 0 0 0 ， 1 5 0 0 r ／ mi n转速条件下， 系 统均稳定运行于全局效 率最大处 ， 功率损耗分别为 8 1 8 ， 9 2 6 ， 1 0 2 9 W ， 对 应 的效 率 分 别 为 8 2 ． 1 ， 8 8 ． 9 ， 9 1 ． 0 。在相 同的实验条件下采用 MT P A 方法时， 系统最终稳定运行时功率损耗分别为 8 3 6 ， 1 0 0 1 ， 1 2 0 3 W， 均高于采用 ATB M 时的功率损耗 。 ATB M 因引入 了电动机驱动系统损耗模型 ， 进一步 提高了系统全 局效率 ， 且 电动机转速 越大， 与采 用 MT P A方法时的系统全局效率差异越明显 。 亭 犍 婚 定子电流 ／ A 图 9 采用 A TB M 时矿 山电力牵引系统功率损耗 采 用 MT P A 和 ATB M 2种 方 法 时 ， 矿 山 电 力 牵 引 系统 的温度 场对 比如 图 1 0所 示 。采 用 MTP A 方法时系统的热点峰值 为 5 5 ． 7℃， 采用 AT B M 时 热点峰 值 为 4 4 ．9℃， 温 度 差 为 1 O ． 8℃。可 见 ATB M 通过主动调节 I GB T开关频率 、 限制 电动机 一 一 a MT P A方法 b ATB M 图 1 0 MTP A， A TB M 2种方法 的温度场对 比 定子电流幅值等方式有效降低了矿山电力牵引系统 的热点峰值 ， 从而降低了对散热装置的要求， 保障了 系统的可靠运行。 5 结语 1 AT B M 可保证矿 山电力牵引系统 的高稳 态精度 ， 满足复杂矿山工况的高动态响应需求。 2 AT B M 通过主动调节 I G B T开关频率、 限 制电动机定子 电流 幅值等方式 ， 有效 降低了矿山电 力牵引系统的热点峰值 。 参考文献 [1 ] 于明湖 ， 张玉 秋 ， 乔 正忠 ， 等． 永 磁 同步电机损 耗分 离 方法研究[ J ] ． 微特电机， 2 0 1 5 ， 4 3 8 1 4 1 8 ． [2 ] 李耀华 ， 刘 晶郁． 永磁 同步电机矢量 控制 系统 MT P A 控制实现[ J ] ． 电气传动 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 3 4 9 - 1 1 ． [3 ] 郎宝华 ， 毕 雪芹 ， 刘卫 国． MT P A 控制 的直接 转矩 控 制系统 研 究 [ J ] ． 西 安 工 业 大学 学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 7 5 7 8． [4 ] 廖 勇 ， 伍 泽 东 ， 刘 刃．车 用 永 磁 同 步 电 机 的改 进 MT P A控制 策 略 研 究 [ J ] ． 电 机 与控 制 学 报 ， 2 0 1 2 ， 1 6 1 1 2 1 7 ． [5 ] L AS C U C， B OL D E A I ， B L AAB J E R G F ．Ve r y - l o w - s p e e d v a r i a b l e - s t r u c t u r e c o n t r o l o f s e n s o r l e s s i n d u c t i o n ma c h i n e d r i v e s wi t h o u t s i g n a l i n j e c t o n [- J 3 ． I EEE Tr a n s a c t i o n o n I n d u s t r y Ap p l i c a t i o n s ，2 0 0 5 ， 4 1 2 5 9 1 5 9 8 ． [6 ] 史光辉 ， 于佳 ， 张亮． 永磁 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