关键词：同轴 高压四象限变频器 主从双机控制

1 引言

随着高压四象限变频技术的不断成熟,高压四象限变频器在矿山等领域得到了广泛应用。目前,高压四象限变频技术已经成为矿山领域的热门话题之一，对于大容量电力传动系统，尤其是大容量矿山提升系统，安全生产特别重要。同轴提升机系统采用两台电机同时拖动一个滚筒的模式，两台电机同时工作时为主从控制。当一台变频器出现问题时，可切换为单机运行，整个系统为50%功率工作模式，可以满足一定的生产，极大的提高生产的安全性。

2 同轴提升机控制系统

2.1 高压四象限变频器系统

高压四象限变频器是同轴提升机系统的变频调速系统，是拖动电机的执行机构^[1]。高压四象限变频器系统将系统电网电压输入连接到高压四象限变频器的移相变压器上，移相变压器将电网输入电压转换为独立的三相 690V 电压，给每个功率单元供电。移相变压器采用延边三角形结构，使单元的输入电压进行移相，减小对电网的谐波无污染，为真正的完美无谐波。高压四象限变频器有完善的控制系统，其主控系统采用高速 DSP 为控制核心，控制算法完全数字化，主控箱与功率单元采用高速光纤通讯，主控将 PWM 波信号通过下行通讯光纤传递给每个功率单元，每个功率单元通过相应单元的保护动作通过上行通讯光纤上传给主控系统。

四象限变频器可进行能量回馈，当电机处于拖动状态时，能量从电网经整流回路、逆变回路流向电机，变频器工作在第一、第三象限。当电机处于发电状态时，电机产生的能量通过逆变侧的二极管回馈到母线电压，当直流母线电压超过一定的值，整流侧能量回馈控制部分启动，将直流逆变成交流，通过控制逆变电压相位和幅值将能量回馈到电网。变频器工作在第二、四象限。

2.2  同轴提升机系统硬件连接

图 2 同轴提升机机械连接实物图

两台电机拖动时的执行机构为两台高压四象限变频器，采用主从控制的数据信号连接。主从控制信号传输数据定义如下表 1 所示。主从控制信号连接方式如下图 3 所示，数据通讯的方式为光纤通讯，极大提高信号传递的抗干扰性能。

发送  接收  通讯内容

图 3 主从控制信号连接

该种连接可保证 1#、2#机均可设置为主机，对于应用现场的操作，更加灵活方便。

2.3 主从协调控制

   主从控制方式采用矢量控制算法，极大提高了提升机系统转矩提升能力。矢量控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用 PI 调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用 PI 调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。

对于主从方式，可采用主从机同频控制方式，同频率控制是指同时给到主机和从机同样的频率命令，这种控制方式可以满足两台电机功率一致的运行情况，并且两台电机在同频率控制情况下，两台电机定子电压频率一致，转子通过减速器连接在一起，两台电机的转子频率一致，所以两台电机工作时的转差一致。两台电机额定功率一致时，电机的额定转差一致，此时两台电机的转矩电流一致，运行功率平衡。

若两电机差异太大，或是所涉及两电机系统差异大，造成用同频双机控制模式时，两机输出电流差异大，这种情况发生时，就会导致电流大的电机电流过大，超过高压四象限变频器的额定电流，易导致高压四象限变频器保护，小功率电机出现输出电流偏小，不能正常出力的情况。

这种情况是由于不同功率电机的机械特性不一致导致的。不同功率电机的机械特性曲线如图 4 所示。S2 曲线为功率较小的异步电机，异步电机额定转差较大。S1 曲线为功率较大的异步电机，异步电机额定转差较小。在同频率控制情况下，两台电机定子电压频率一致为 n0，转子通过减速器连接在一起，两台电机的转子频率一致为 n1，此时大功率电机S1 曲线工作在 Q1 点，转矩电流 M1 比较大。小功率电机 S2 曲线工作在 Q2 点，转矩电流M2 比较小^[2]。此时拖动大电机的高压四象限变频器容易过流保护。

图 4 不同功率电机的机械特性曲线

为解决以上情况，采用不同频控制，根据两台电机运行时的有功转矩电流，自动调整两台电机的定子运行频率。当电机转矩电流较大时，通过线性地减少变频器的转速给定来减小电机转速。机械耦合后，反应为转矩电流的减小。当电机转矩电流较小时，则线性地增加变频器的转速给定来增加电机转速，电机转速的增加，通过机械耦合后，反应为转矩电流的增加。在转子运行频率一致的情况下，通过转矩电流自动调整两台电机的运行转差，实现调配两台电机的输出电流，达到想要的电流分配效果。同轴控制的原理图如图5所示。

图 5  同轴控制的原理图

在图5中，对电机电流采样后需要分离转矩电流，分离时三相采样电流通过Clark变换和Park变换，分离出转矩电流，根据两台转矩电流运行情况，分别产生不同的转矩电流补偿频率，从而改变电机定子电压的运行频率，进而改变转矩电流，最终实现同轴连接情况下，两台主从控制的变频器输出转矩电流自动分配，得到所需要的运行系统状态。

此方式已经通过现场验证，在某绞车现场，电机功率为 1100kW 和 1600kW，使用两台1400kW 变频器，通过调配，使两台电机的最大输出功率在 1100kW 和 1400kW，实现最大功率输出时变频器和电机都不超载。这样二者的电流比例大约为 1400/1100=1.27。现场输出运行电流情况如下图 6 所示。

图 6 现场输出运行电流情况

电流最终的分配为 95/75=1.26。和设计的电流分配 1.27 基本一致。

3 结束语

高压四象限变频器在矿山等领域得到了广泛应用。随着矿山提升系统安全性能要求的提高，同轴提升机系统会得到广泛推广，能够驱动同轴提升机的高压四象限变频器主从控制技术也会随之广泛应用。相信同轴提升机控制系统在矿山等领域必然发挥更大的作用。