矿井提升机频繁启制动功率协调控制可逆变频调速系统研究

The mine hoist equipments are able to operate with high efficiency, safety, saving energy in relation to the health development of the mining enterprises and the safety of our country’s energy source and economy. It is of great theoretical and realistic significance to resolve the control problems of the rapid starting-braking and four-quadrant operation for mine hoists. In this project, the mining hoist AC speed regulation systems are considered as the object according to the engineering practice, the control strategy on the hoist’s frequent starting-braking and variable speed regulation is researched scientifically. The hoist’s running speed curve is analyzed and optimized. The problem of energy conversion and transfer on its AC speed regulation system is explored. The relationship of dynamic power balance between the rectifier and inverter in this system is made clear. The characteristics of vector control pre-excitation and the influencing factors of induction motor parameters changing are revealed. The dual PWM converter coordinated control mechanism based on the feedforward of load power prediction and control delay compensation is clarified. This project aims at that the dynamic power mathematic model of mine hoist’s AC speed regulation system for four-quadrant operation is built, and the implementation of the scheme for large-power inverter vector control pre-excitation as well as the coordinated control strategy for dual PWM converter power balance with load changing frequently. Moreover, this project hopes to provide the new ideas and theoretical basis in order to enhance the stable and secure control performance and energy-saving efficiency to AC speed regulating system for large-capacity potential load.

矿井提升设备高效、安全、节能地运行关系到矿山企业健康发展以及国家能源和经济的安全，解决矿井提升机快速启制动与四象限运行等控制问题具有十分重要的理论与现实意义。本项目以符合实际工况条件下的矿井提升机交流调速系统为对象，对提升机频繁启制动及可逆变频调速控制策略进行科学研究，分析并优化提升机运行速度曲线，探索其交流调速系统能量转换与传递问题，明确该系统中整流与逆变控制的动态功率平衡关系，揭示矢量控制预励磁启动特性及感应电机参数变化对其的影响因素，阐明基于负载功率预测与控制延时补偿前馈控制的双PWM变频协调控制机制。本项目旨在建立矿井提升机四象限运行交流调速系统动态功率数学模型，实现大功率变频调速装置矢量控制预励磁启动方案，与负载频繁变化下双PWM变频功率平衡协调控制策略，为提高大容量位能负载交流调速系统控制的稳定与安全以及节能减排效率，提供新的思路与理论依据。

矿井提升机高效、节能、安全地运行，成为矿企装备系统工程与电气传动领域所面临的重要与紧迫任务。本项目在符合矿井提升机工程实践的条件下，从机电能量转换的角度分析矿井提升机交流调速系统动态功率平衡模型，研究满足提升机频繁启制动可逆变频的控制策略。根据提升机交流调速系统能量双向流动的功率平衡原则，以系统调速性能要求及瞬时功率理论，建立整流与逆变的动态功率模型，从能量角度出发阐明双PWM变换器在负载功率突变时，直流母线电压波动与系统能量不平衡之间的数学关系；分析矢量控制预励磁启动特性以及感应电机参数变化对其的影响因素，在磁链补偿和偏差解耦的理论基础上，通过直流预励磁控制完成励磁电流和转矩电流的设定，实现了磁链幅值的稳定，励磁子系统和转矩子系统的动态解耦；研究采用基于矢量控制定子电阻压降偿的交流预励磁起动方法，结合矢量控制和定子电阻压降补偿理论，利用交流预励磁在电机起动前将磁链逐步平滑稳定建立起来，并通过定子电阻压降补偿来抑制低频时励磁电压的降低，维持励磁系统的稳定；针对矿井提升机负载出现大的波动及频繁启制动过程中，为保证矿井提升机双PWM变换调速系统在能量失衡状态时能够快速回归稳定状态，根据系统失衡时各部分之间的数学关系提出功率预测补偿算法，实现负载功率跟踪前馈控制，降低负载功率突变时直流母线电压波动与网侧谐波，提高双PWM控制协调性；分析逆变器误差电压反馈补偿要求，在无电流方向条件下，通过对两个随时间逐渐增大的不同频率的电流自动检测，得到不同电流值对应的电压误差估计值与真实值之间的关系，将周期内误差电压补偿到逆变器输入端，降低电流谐波对控制系统的影响。本项目在大容量位能负载交流调速系统领域取得一些理论与技术成果，能够提高系统的变频调速控制性能与节能效率；通过实现符合实际工况的矿井提升机双PMW变频调速功率平衡控制方案，推动交流调速系统向着高动态性能、低能耗方面发展。