摘要：本文讨论了高压提升机变频器研制中的几个重要技术问题，包括能量回馈、力矩特性优化、可靠性的保证措施等。此外还给出了现场运行情况。
关键字：提升机、变频器、能量回馈
风光牌 JD—BP37/38 系列高压（ 6000/10000V ）提升机变频器于 2005 年 12 月 18 日在济南通过了省级技术 / 产品鉴定。以陈伯时教授、李永东教授为主任的鉴定委员会给出的产品鉴定结论是：
鉴定委员会一致认为， JD-BP 系列矿井提升机高压变频调速器具有技术指标先进、可靠性高等优点，在级联高压逆变器控制方面填补了国内空白，达到国内领先水平，具有较大的经济、社会效益和推广应用价值，可以批量生产。
本文将把该变频器研制过程中的几个主要技术问题呈现给大家，希望得到专家和同行的指教。
在“节约中国”的大形势下，变频器行业正呈方兴未艾之势，销售势头十分喜人。但高压机的应用领域有很大局限性。虽然各品牌使用手册上会列出一大串适用领域，可实际应用多局限于风机类或水泵类负载。其实，还有一种负载急切地等待着实现变频化，那就是矿山提升机。在市场的强烈呼唤下 [1] ，我公司于 2000 年召开了低压矿山提升机变频器的鉴定会 [2] ，当时鉴定结论也是 填补了国内空白，达到国内领先水平。 五年后的今天， 6000/10000V 的高压提升机变频器终于正式上市了。
把变频器推广到高压提升机上去存在着很大风险，世界上最早生产这类高压变频器的罗宾康公司也未见其将这类产品用于矿山提升机的报道。要打入提升机领域，必须解决几个棘手的难题，概括说来有以下几点：四象限运行、苛刻的力矩特性、高可靠性、频繁开停机。下面的讨论将针对这几个难点展开。
一、四象限运行 - ——- 能量回馈
矿井提升机处于四象限运行的工况，当提升机负重下放或快速减速时，电机处于发电运行状态，变频器必须妥善处理这部分能量。单元串联结构决定了耗能电阻的办法不再适用，只有将再生能量回馈电网这一条路可走，四象限运行的关键就是能量回馈。
本文的方案是每个功率单元主电路均采用双逆变器，电源侧是一个三相逆变器，输出侧是一个单相逆变器，主电路如图 1 所示。当电机处于电动运行状态时，能量从电源流向负载；当电机处于发电运行状态时，输出侧的逆变器处于整流工作状态，电源侧的逆变器将能量馈送至电网。
图 1 功率单元主电路图
回馈过程的控制策略有二：
1 、间接电流控制，原理简述如下：
单相简化电路如图 2 所示：
图 2 间接电流控制简化电路图
为电源电压，
为逆变器输出的低频电压
稳态回路电流：
三相回馈电网的总功率为：
由此可见，改变
与
角，即可改变回馈功率的大小。
、
与电感压降
向量图 3 所示：
图 3
向量图 若要求回馈电流与电压反相（此时效率最高），这时应有
。 由于电抗要求安装在单元之内，体积必须尽量小，因此限流电感的电感量较小，
比
小得多，即
<<
，此时角 
较小，可近似认为 tg 
≈ sin 
≈
， 
。 当回馈能量与电机发电提供能量相一致时达到平衡，此时母线电压保持稳定。如果要使回馈电流始终与电源电压反相，则应同时调整角度
与幅度
满足
， 调整 
由改变调制度实现。
实际上，当
很小时，
， 影响回馈功率的主要因素是
角，因此，在母线幅度变化不大的条件下，可以仅调整
角来改变回馈功率。
这种控制方法较简单，系统易稳定。由于没有电流闭环，回馈波形较差。要改善回馈电流波形，则应增加电流闭环，即直接电流控制。
2 、直接电流控制
直接电流控制可有多种方法实现，最常见的是滞环电流控制。这种方法是将实测回馈电流与参考电流相比较，根据比较的差值直接给出 PWM 信号，以调整回馈电流，在不断的调整过程中，使实测回馈电流跟踪参考电流，与参考电流之间的误差控制在一个允许的范围之内。实现电流跟踪的控制方法有多种： SPWM 、 SVPWM 、 d-q 变换控制等。
正常回馈时，回馈的能量应与电机发电能量相等，这时母线电压保持一个定值。参考电流取自电源电压乘以一个系数，这个系数的获得是实测母线电压与给定的母线参考电压的差，经
运算获得。系统方框图见图 4
图 4 回馈系统方框图
其中 U 0 ＊ 为母线电压给定， U 0 为实测母线电压， U m ， i m 分别为实测电源电压、电流（ m=a,b,c ）
整个系统是一个双闭环系统，外环为电压环，其作用是保证母线电压为恒定。内环为电流环，其作用是保证回馈电流始终跟踪参考电流。直接电流控制可同时保持母线电压恒定且回馈电流波形较好。正因为它是一个双闭环系统，系多极点反馈系统，若参数选择不当，可能不稳定，尤其在回馈大幅突变时，若采用这一控制方式应有保证系统稳定的措施。
二、力矩特性的优化
1 、 提升机变频器的力矩特性：
与普通风机、水泵类负载相比较，提升机变频器对力矩有着非常苛刻的要求。
（ 1 ）起动力矩很大：起动力矩一般在额定力矩的 1.8 倍以上；
（ 2 ）加速力矩大：加速力矩大方能保证动态性能好；
（ 3 ）制动力矩大：高速运行时快速减速、带重物下放，停止状态机械抱闸尚未起作用的时间段，要求制动力矩以防重物下滑溜车；
（ 4 ）低频力矩大。
为得到所需力矩特性，采取如下的措施：
异步电动机等效电路如图 7 所示：
图 7 异步电动机单相等效电路
为电机端电压
为电机端感应电势，它与定子磁通相对应：
在等效电路上表现为互感压降，它与气隙磁通相对应：
对应于转子磁通：
在
与频率成正比的控制中，高频区最大转矩不变，为恒力矩调速。低频时由于定子电阻
上压降的影响，将使定子磁通降低，影响了最大转矩的输出。因此，低频时必须施加电压补偿。
提升机起动力矩比稳速力矩大得多、加速力矩也比稳速力矩大得多，所以低频段补偿一定要补偿恰当。
提升机每次的负载多变，有时空载、有时满载。怎样才能保证电机转矩足够又不严重过励磁呢？思路有二：
（ 1 ）依实测力矩确定补偿
提升机在每次提升过程中，负载是不变的，起动后先测电机的负载转矩，然后确定补偿量。电机转矩由下式计算：
其中 k 为常数
电动运行时，转矩为正，发电运行时转矩为负，不同的转矩对应不同的低频补偿值，这可用查表法实现。此法简单，易于控制，但准确度不高，属磁通开环控制。
• 实测电机磁通，且令电机磁通等于预定值，若在运行中补偿掉定子电阻
上的压降，保持
与频率的比为定值，则保证了定子磁通
为定值。若进一步补偿
上的压降，则保证了气隙磁通
为定值。若再进一步补偿掉
上的压降，则保证了转子磁通为定值。保持定子磁通为定值，低频时最大转矩大于 V/F 恒定时的转矩数值，但最大转矩仍将随频率降低而减小，若保证了气隙磁通恒定，则能使最大转矩与频率无关，若保证了转子磁通恒定，则能使转矩与转差成正比。三种磁通是相互联系的，它们之间可以互相换算，知道其一便可算出另外两个。本文所讨论的变频器具有磁通开环、磁通闭环两种工作模式。
2 、磁通闭环控制
矢量控制系统的做法通常是将旋转坐标系定位于转子磁场，此时，异步电机的电压方程为：
为转差角频率
磁链方程为：
为极对数
对于电流型的变频器，这一变换将定子电流分离成为励磁分量和转矩分量，做到了完全解耦。定子电流的励磁分量
与转子磁通的关系是一个简单的一阶微分方程。控制转子磁通为定值则可以比较容易地实现。
对于电压型变频器，情况则大不相同，电压型变频器的输出电压与电流本身即是一个相当复杂的关系。要控制转子磁通为定值，首先要求出转子磁通与定子电压之间的关系。由以上电压和磁链方程，可以得到：
转子磁通与定子电压的关系相当复杂，这是一个二阶微分方程，而且没有完全解耦，式中包含一个旋转耦合项
；式中还包含转子时间常数 
而转子电阻又是一个时变量，在有些情况下需要在线辨识。这样一个系统是相当复杂的。
文献 [3] 提出了一种称为“定子电压定向矢量控制系统”的控制方法。这种方法得到定子电压与定子磁通之间的关系是一个代数方程，且方程中不含转子电阻。这种方法可以将磁通闭环控制大大地简化。
将旋转坐标的d轴定位于定子电压矢量。异步电机电压方程为：
……………………………. ……… （ 1 ）
…………………………….... ……… （ 2 ）
……………………………………… （ 3 ）
……………………………………… （ 4 ）
令定子磁通为定值
………………………………… （ 5 ）
同理令转子磁通为定值得到
……………………………………………….（ 6 ）
由磁链方程：
………………………….. ……… （ 7 ）
…………………………………... （ 8 ）
…………………………………… （ 9 ）
…………………………………… （ 10 ）
将上述
、
、
、
代入式（ 6 ）并有（ 5 ）式共同得到：
……………………（11）
再由磁链方程：
…………..（12）
…………………………………...（13）
由（ 12 ）、（ 13 ）式可以得到：
.. （ 14 ）
…………………… （15）
将 （14） 、（ 15 ）及（ 5 ）式，代入到（ 11 ）式，得到：
…………………………..（16）
式中
为转子磁通的模平方，若控制转子磁通为定值，则
为定值，可以得到：
………………………………...（17）
此式给出由当前电机的实测电流及定子磁通计算保持转子磁通为定值所需定子电压的关系式。此式为一代数方程，且不含
，因此用做控制方程甚是方便。用（ 17 ）式做控制方程实现磁通闭环，比转子磁通定向矢量控制中的磁通闭环大为简化。
三、可靠性的保证措施
为提高可靠性采取了以下措施：
• 冗余技术
这包括器件冗余（电压冗余、电流冗余等）、电路冗余、单元冗余等等。
2 、改进吸收电路设计，减小 IGBT 的电压、电流应力。
3 、低温升设计
功率器件、电解电容使用寿命和工作温度密切相关，一般给出 80 0 C 时的工作寿命，温度每升高 10 0 C 寿命约降低一半，每下降 10 0 C 寿命增加一倍。尽可能地降低整机温升，将会大幅度提高整机可靠性。
4 、抗干扰性能
要保证整机高可靠性运行，应最大限度的提高整机抗干扰性能，主要从以下几方面着手：结构设计（屏蔽、接地隔离等措施）、工艺设计（排板、布线等尽可能合理）、电源设计（控制电源应良好净化，避免从电源引入干扰）、电路设计、软件设计、制造工艺等等。
四、现场运行情况
现有两台样机在现场正常运行。第一台安装在邯郸市峰峰矿务局新三矿付井提升机上，副井为立井，其任务是人员和物料的下放与提升。电机为 6000V 、 380KW ，额定负载为 5 吨，额定提升速度为 5.8m/s ，变频器在安装调试完成后，做了各项性能试验，试验项目包括：
轻载起动：
轻载爬行：爬行运行频率 2.2Hz ；
重载起动：额定负载（ 5 吨）；
超载（最大负载约 7 吨）；
重载爬行：额定负载（ 5 吨）；
超载（最大负载约 7 吨）；
升速运行：从起动到额定频率（ 50Hz ）升速时间为 10s 带额定负载；
负重下放：带额定负载下放，升速时间 8s ；停机过程、减速时间 8s ；
超载负重下放：下放约 7 吨重物，加速时间为 8s ，加速到 15Hz 后，稳速下放，停机过程减速时间为 8s 。
在以上各个试验项目中，工作平稳、正常，各项性能均能满足现场工况要求。
此变频器已运行半年多，可靠性尚好。
第二台变频器安装在峰峰矿务局九龙矿，井下提升机，此提升机电机为 6000V 、 240KW ，向上提煤、下放物料，同时也运送人员，这台变频器于 2005 年 9 月正式运行。
第三台安装在山西晋普山煤矿。副井提升机，额定功率为 6000V 、 320KW ，功能是向上提矸石。此机正在进行现场调试。
五、结束语
虽然说高压提升机专用变频器研制成功了，得到了用户和专家的好评，我们清醒地认识到这是鼓励，实际上产品性能的完善、长期可靠性的考验还有很长的路要走，我们会进一步优化控制方式、完善结构设计，为矿业提供更优良的变频设备，让国产品牌越来越风光。
作者简介： 李瑞来毕业于清华大学 工程物理 系，现任 山东新风光科技发展有限公司总工。
研究方向为电力电子。
参考资料：
[1] 何洪臣 市场的呼唤 企业的响应 第三届变频器行业企业家论坛 2004 年
[2] 李瑞来，何洪臣，韩文昭 矿山提升机变频调速系统 变频器世界 2000 （ 9 ）。
[3] 李永东， de Fornel B ，David M. PWM 供电的异步电机电压定向矢量控制。电气传动，1990（4）2－7.
