礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法

楊梟，　厲彥江，　郭單

(1.北京礦冶研究總院， 北京　100160；2.東北大學(xué) 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng)　110004)

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礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法

楊梟1，厲彥江1，郭單2

(1.北京礦冶研究總院， 北京100160；2.東北大學(xué) 流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽(yáng)110004)

針對(duì)礦山電力牽引系統(tǒng)的發(fā)熱問(wèn)題，提出一種礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法，即通過(guò)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的溫度信號(hào)，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流幅值、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)的在線自調(diào)節(jié)；提出一種基于溫度反饋的d，q軸電流矢量?jī)?yōu)化計(jì)算方法，使系統(tǒng)運(yùn)行于全局效率最大的工作特性曲線；基于15 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可在保證礦山電力牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)，降低系統(tǒng)的熱點(diǎn)峰值。

礦山電力牽引系統(tǒng)； 主動(dòng)熱均衡控制； 永磁同步電動(dòng)機(jī)； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 效率優(yōu)化

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0　引言

礦山電力牽引系統(tǒng)在礦山生產(chǎn)運(yùn)輸中必不可少，一般由體積小、重量輕、效率高的永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。隨著礦山電力牽引系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩持續(xù)增長(zhǎng)，功率密度日益增大，發(fā)熱問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，不利于系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

礦山電力牽引系統(tǒng)的發(fā)熱來(lái)自電動(dòng)機(jī)損耗和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗。電動(dòng)機(jī)損耗主要包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗等[1]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗主要為IGBT開(kāi)關(guān)損耗。目前礦山電力牽引系統(tǒng)一般采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)方法[2-4]，使電動(dòng)機(jī)在輸出相同電磁轉(zhuǎn)矩的條件下定子電流最小，從而減小電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗[5]。但該方法未將溫度信號(hào)引入控制回路，且沒(méi)有考慮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率對(duì)發(fā)熱的影響，系統(tǒng)損耗降低程度有限。

本文提出一種礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法(Active Thermal Balance Method, ATBM)。該方法在MTPA方法基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋礦山電力牽引系統(tǒng)的溫度信號(hào)，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流幅值、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)的在線自調(diào)節(jié)，并基于溫度信號(hào)優(yōu)化電動(dòng)機(jī)d，q軸電流矢量計(jì)算方法，使系統(tǒng)運(yùn)行于全局效率最大的工作特性曲線?；?5 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的可行性，結(jié)果表明該方法可在保證礦山電力牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能基礎(chǔ)上，降低系統(tǒng)的熱點(diǎn)峰值。

1　永磁同步電動(dòng)機(jī)模型及MTPA方法

圖1為以永磁同步電動(dòng)機(jī)為牽引電動(dòng)機(jī)的礦山電力牽引系統(tǒng)調(diào)速原理。其中Udc為電源電壓，ua，ub，uc為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的相電壓，Si為IGBT功率開(kāi)關(guān)(i=1，2，…，6)，ui為電壓空間矢量。將靜止αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，dq坐標(biāo)系下的電壓、轉(zhuǎn)矩方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：vd，vq分別為電動(dòng)機(jī)定子d，q軸電壓；id，iq分別為電動(dòng)機(jī)定子d，q軸電流；Ld，Lq分別為電動(dòng)機(jī)定子d，q軸電感；R為定子電阻；ωm為電角速度；Te為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；Ψm為永磁體的勵(lì)磁磁鏈；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Bm為電動(dòng)機(jī)摩擦因數(shù)；J為電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(a)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(b)電壓空間矢量

圖1礦山電力牽引系統(tǒng)調(diào)速原理

將id，iq用定子電流幅值Im和電流角度δ表示：

(5)

將式(5)代入式(3)，得到定子電流幅值Im與電磁轉(zhuǎn)矩Te和電流角度δ的關(guān)系。在電磁轉(zhuǎn)矩Te一定的條件下，定子電流幅值Im僅與電流角度δ有關(guān)。因此，用定子電流幅值Im對(duì)電流角度δ求導(dǎo)，可得MTPA控制條件：

(6)

化簡(jiǎn)式(6)得

(7)

因此對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，在求得最優(yōu)電流角度后，可實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩一定的情況下定子電流最小[6]。

2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱模型

對(duì)于礦山電力牽引系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心組件為大功率IGBT。圖2為IGBT散熱模型。IGBT發(fā)熱主要由開(kāi)關(guān)損耗引起，熱量經(jīng)芯片、外殼(包含焊料、銅層和陶瓷壓制成的陶瓷金屬?gòu)?fù)合板及基板)傳遞到散熱器，再通過(guò)散熱器傳遞到周?chē)h(huán)境。其熱特性可用三階RC熱阻抗等效模型表示[7]：

Zthjc,T=Rthjc[1-exp(-t/τ1)]+Rthch[1-

exp(-t/τ2)]+Rthha[1-exp(-t/τ3)]

(8)

式中：Zthjc,T為從結(jié)溫Twj到環(huán)境溫度Ta的熱阻抗；τ1，τ3，τ3分別為芯片層、外殼層和散熱器層的時(shí)間常數(shù)。

圖2　IGBT散熱模型

針對(duì)IGBT的RC熱阻抗等效模型，本文采用常見(jiàn)的穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路[8]計(jì)算IGBT散熱系統(tǒng)的溫度，如圖3所示。其中PT，PD分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管的開(kāi)關(guān)損耗；Tj,T，Tj,D分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管的溫度；Rthjc,T，Rthjc,D分別為芯片內(nèi)晶體管、二極管到外殼的熱阻，Rthjc,T+Rthjc,D=Rthjc；Rthca為外殼到環(huán)境的熱阻。由于Rthca值遠(yuǎn)大于Rthch和Rthha，所以Rthca與Rthch，Rthha并聯(lián)時(shí)可忽略不計(jì)。將IGBT的開(kāi)關(guān)損耗等效為電流源，將熱阻等效為電阻，將熱阻上產(chǎn)生的溫差等效為電壓。

圖3　穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路

利用穩(wěn)態(tài)熱阻等效電路可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度，在熱阻參數(shù)一定的條件下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度僅與開(kāi)關(guān)損耗正相關(guān)。

3　礦山電力牽引系統(tǒng)ATBM

3.1開(kāi)關(guān)頻率動(dòng)態(tài)調(diào)整

[9-12]指出，隨著IGBT功率器件電壓、功率等級(jí)的提高，其對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)損耗也加大。動(dòng)態(tài)調(diào)整IGBT開(kāi)關(guān)頻率可降低其開(kāi)關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)熱均衡控制。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)，125 ℃時(shí)IGBT開(kāi)關(guān)損耗為

Esw,T=Eon,T+Eoff,T=(Asw,TI2+Bsw,TI+

(9)

式中：Esw,T，Eon,T，Eoff,T分別為測(cè)試條件下單個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)1次、開(kāi)通1次和關(guān)斷1次的能量損耗；Asw,T，Bsw,T，Csw,T分別為測(cè)試條件下開(kāi)關(guān)損耗隨電流變化的二次擬合曲線系數(shù)；U，I分別為IGBT實(shí)際電壓、電流；Ubase，Ibase分別為IGBT參考電壓、電流；Ksw,U，Ksw,I分別為電壓、電流幅值對(duì)IGBT 開(kāi)關(guān)損耗的影響系數(shù)。

此時(shí)，在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)IGBT平均開(kāi)關(guān)損耗為

(10)

式中fsw為IGBT開(kāi)關(guān)頻率。

圖4為PWM調(diào)制下IGBT開(kāi)關(guān)損耗仿真結(jié)果，其中IGBT導(dǎo)通功率損耗Pon,T、關(guān)斷功率損耗Poff,T在全范圍內(nèi)呈周期性變化，峰值分別為30，50 W。

(a) PWM調(diào)制波形

(b) IGBT開(kāi)關(guān)損耗

從式(10)可看出，調(diào)整IBGT開(kāi)關(guān)頻率fsw可實(shí)現(xiàn)IGBT開(kāi)關(guān)損耗的有效修正。根據(jù)IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱(chēng)電流與溫度的關(guān)系以及工作溫度范圍，確定合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度給定值，將紅外熱成像儀的測(cè)量溫度作為反饋值，二者差值送至雙線性曲線模塊，利用該模塊的雙線性特性產(chǎn)生IGBT開(kāi)關(guān)頻率的待調(diào)整量，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2定子電流幅值自適應(yīng)修正

內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅損，所以轉(zhuǎn)子內(nèi)損耗很小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，從電源輸入的電功率Pin為

(11)

式中：Pout為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸實(shí)際輸出功率；PCu，PFe分別為電動(dòng)機(jī)定子銅損和鐵損；Pmech為電動(dòng)機(jī)軸承摩擦的機(jī)械損耗。

電動(dòng)機(jī)軸承摩擦的機(jī)械損耗Pmech與軸承的加工精度和潤(rùn)滑程度有關(guān)；電動(dòng)機(jī)定子鐵損PFe與電源電壓成正比，電源電壓不變，定子鐵損也幾乎不變；電動(dòng)機(jī)銅損PCu與定子電流的平方成正比，因此當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，降低定子電流能夠有效減少電動(dòng)機(jī)損耗。

本文在MTPA方法基礎(chǔ)上，基于溫度反饋值，自適應(yīng)修正定子電流幅值，優(yōu)化電動(dòng)機(jī)d，q軸定子電流矢量計(jì)算方法，如圖5所示。其中Tj,lim為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度設(shè)定值；Tigbt，Tfwdi分別為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中IGBT和二極管的溫度測(cè)定值；Ploss,igbt，Ploss,fwdi分別為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中IGBT和二極管的開(kāi)關(guān)損耗實(shí)時(shí)計(jì)算值；Ci，Cf分別為IGBT和二極管導(dǎo)熱系數(shù)；τel,j為環(huán)境換熱系數(shù)；|I|max為定子電流飽和限幅值。

圖5　基于溫度反饋的電動(dòng)機(jī)定子電流矢量計(jì)算方法

將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度反饋值Tigbt,Tfwdi與溫度設(shè)定值做差，差值與經(jīng)驗(yàn)熱阻Ci/τel,j，Cf/τel,j相乘得到開(kāi)關(guān)損耗的待修正值，將求出的定子電流幅值轉(zhuǎn)換為有效值，與當(dāng)前開(kāi)關(guān)頻率同時(shí)帶入式(9)和式(10)，計(jì)算修正前的開(kāi)關(guān)損耗，與待修正值疊加求出修正后的開(kāi)關(guān)損耗。然后通過(guò)式(9)和式(10)的逆運(yùn)算及飽和限幅，得到修正后的定子電流幅值|I|lim。最后，基于傳統(tǒng)MTPA方法，求出最優(yōu)電流角度和d，q軸電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及方案

采用如圖6所示的15 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證礦山電力牽引系統(tǒng)ATBM的可行性和有效性。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以TMS320F2812型DSP為核心，主要完成MTPA核心算法運(yùn)算、通信等功能。協(xié)處理器采用Xilinx型FPGA和CPLD，其中FPGA主要完成AD采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，CPLD主要完成PWM狀態(tài)檢測(cè)、死區(qū)補(bǔ)償、脈沖封鎖等功能。

圖6　15 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 N·m的條件下，穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)定子電流波形如圖7所示?？煽闯鲭娏鞑ㄐ螌?duì)稱(chēng)且均勻。

圖7　礦山電力牽引系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流波形

采用ATBM時(shí)礦山電力牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形如圖8所示，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行速度為1 000 r/min，之后將負(fù)載轉(zhuǎn)矩由5 N·m階躍至25 N·m，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化(響應(yīng)時(shí)間小于2 ms)，可以限制電動(dòng)機(jī)負(fù)載突變時(shí)的轉(zhuǎn)速跌落。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子電流逐漸減小，直至完成對(duì)最優(yōu)電流角度的精確跟蹤。整個(gè)過(guò)程持續(xù)約10 ms。

圖8　礦山電力牽引系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、電流波形

設(shè)置電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒為71 N·m，轉(zhuǎn)速為500～1 500 r/min，轉(zhuǎn)速變步長(zhǎng)為500 r/min。采用ATBM時(shí)，礦山電力牽引系統(tǒng)的功率損耗如圖9所示。可見(jiàn)在500，1 000，1 500 r/min轉(zhuǎn)速條件下，系統(tǒng)均穩(wěn)定運(yùn)行于全局效率最大處，功率損耗分別為818，926，1 029 W，對(duì)應(yīng)的效率分別為82.1%，88.9%，91.0%。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下采用MTPA方法時(shí)，系統(tǒng)最終穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)功率損耗分別為836，1 001，1 203 W，均高于采用ATBM時(shí)的功率損耗。ATBM因引入了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損耗模型，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)全局效率，且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，與采用MTPA方法時(shí)的系統(tǒng)全局效率差異越明顯。

圖9　采用ATBM時(shí)礦山電力牽引系統(tǒng)功率損耗

采用MTPA和ATBM 2種方法時(shí)，礦山電力牽引系統(tǒng)的溫度場(chǎng)對(duì)比如圖10所示。采用MTPA方法時(shí)系統(tǒng)的熱點(diǎn)峰值為55.7 ℃，采用ATBM時(shí)熱點(diǎn)峰值為44.9 ℃，溫度差為10.8 ℃?？梢?jiàn)ATBM通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)IGBT開(kāi)關(guān)頻率、限制電動(dòng)機(jī)定子電流幅值等方式有效降低了礦山電力牽引系統(tǒng)的熱點(diǎn)峰值，從而降低了對(duì)散熱裝置的要求，保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

(a)MTPA方法(b)ATBM

圖10MTPA，ATBM 2種方法的溫度場(chǎng)對(duì)比

5　結(jié)語(yǔ)

(1) ATBM可保證礦山電力牽引系統(tǒng)的高穩(wěn)態(tài)精度，滿足復(fù)雜礦山工況的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。

(2) ATBM通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)IGBT開(kāi)關(guān)頻率、限制電動(dòng)機(jī)定子電流幅值等方式，有效降低了礦山電力牽引系統(tǒng)的熱點(diǎn)峰值。

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Active thermal balance method of mine electric traction system

YANG Xiao1,LI Yanjiang1,GUO Dan2

(1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100160, China; 2.State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

An active thermal balance method of mine electric traction system was proposed to solve the system heating, which completed on-line self-adjustment of motor stator current amplitude and switching frequency of driving system by returning temperature signal of the electric traction system in real time. An optimizedd,qaxis current vector calculation method based on the temperature signal was proposed, which could make the electric traction system work at working characteristic curve with the maximum overall efficiency. The method has been verified by using 15 kW permanent magnet synchronous motor speed-adjusting system. The experimental result shows the method can ensure dynamic and stable performance of the mine electric traction system and decrease hotspot safety.

mine power traction system; active thermal balance control; permanent magnet synchronous; driving system; efficiency optimization

1671-251X(2016)05-0051-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.012

2015-11-06；

2016-03-21；責(zé)任編輯：李明。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377020)。

楊梟(1989—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事有色金屬冶煉廠供配電及電氣自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作，E-mail：bjky_yx@126.com。

TD631

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-29 11:27

楊梟，厲彥江，郭單.礦山電力牽引系統(tǒng)主動(dòng)熱均衡控制方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(5)：51-55.