0 引言
高压绕线电动机作为主副井提升机、带式输送机、通风机及主排水泵等的拖动设备，其控制性能好坏不仅影响煤矿安全生产，还直接影响煤矿的经济效益。早期的高压绕线电动机控制采用工频直驱方式，不但会对电网及电动机等造成启动冲击，还严重浪费了能源。采用定子侧串联晶闸管变换器、转子侧串电阻等软启动方式，虽可以有效减小启动冲击，但这些方式本质上属于降压启动，无法实现调速。目前，高性能绕线电动机控制场合多采用定子侧变频调速技术[1-3]，因高压电动机定子电压等级较高，需采用H桥级联式高压变频技术，技术难度较大，同时所需开关管数量多，且对耐压值要求高。
为了解决上述问题，本文研究了一种转子变频调速技术，利用高压绕线电动机转子电压等级低的特点，将功率变换由定子侧转移到转子侧，通过较成熟的中低压变频技术来实现高压绕线电动机的变频调速，可靠性高，且大大降低了变频器的成本[4]。
1 理论研究
高压绕线电动机转子变频调速系统结构如图1所示。针对煤矿井下轴编码器安装困难、成本高等问题，利用定子磁链观测器对转速进行估计，实现转子变频无速度矢量控制。
图1 高压绕线电动机转子变频调速系统结构
Fig.1 Structure of rotor-side frequency conversion speed regulation system for high voltage wound-rotor motor
1.1 基于定子磁链定向的矢量控制
采用转子变频技术时，转子绕组进行励磁，应选择转子绕组作为参照物。此时，认为定子绕组以角速度ωs旋转[5-7]，磁场旋转速度为与转子电源对应的同步角速度ω1，可得
式中：ωdqr，ωdqs为旋转坐标系相对转子及定子绕组旋转速度；
为转差角速度。
参照传统定子变频技术相关理论，转子变频技术采用定子磁链定向，同时考虑定子绕组短接，此时有
式中：Ls为定子等效自感；isd，isq分别为定子电流d，q轴分量；Lm为定转子互感；ird，irq分别为转子电流d，q轴分量；Ψsd，Ψsq分别为定子磁链d，q轴分量；Ψs为定子磁链；usd，usq分别为定子电压d，q轴分量。
参照定子变频时绕线电动机的数学模型，结合式(1)和式(2)，得出转子变频时绕线电动机在d-q坐标系下的数学模型：
式中：urd，urq分别为转子电压d，q轴分量；Rs，Rr分别为定子和转子等效内阻；Lr为转子等效自感；Ψrd，Ψrq分别为转子磁链d，q轴分量；p为微分算子。
结合式(3)和式(4)，可得转子变频时基于定子磁场定向的矢量控制方程式：
式中：ts为定子回路电磁时间常数；σ为电动机漏磁系数；frdc，frqc为交叉耦合项。
1.2 定子磁链观测器
定子磁链观测器对整个调速系统的性能有重要影响。传统电压型、电流型磁链观测器属于开环观测器，观测性能较差，实际应用时需采用补偿措施。为提高观测精度，本文采用自适应全阶状态定子磁链观测器[8-9]，其本质属于闭环观测器。
转子变频时，绕线电动机在α-β两相静止坐标系上的状态方程为
式中：irα，irβ分别为转子电流α，β轴分量；Ψsα，Ψsβ分别为定子磁链α，β轴分量；urα，urβ分别为转子电压α，β轴分量。
根据式(6)，同时利用转子电流估算误差加以补偿[10-12]，建立定子磁链观测器：
式中：
为状态变量，
为输入变量，
分别为转子电流实际值、观测值，
均为系数矩阵，
为增益矩阵。
为提高磁链观测器的动态性能及稳定性，利用极点配置法确定增益矩阵G：
式中：g1，g2，g3，g4为电动机特征值;k为比例系数；c=σLsLr/Lm。
根据式(7)—式(10)可得到自适应全阶状态定子磁链观测器结构，如图2所示。其中,e为转子电流误差；
为积分算法。
图2 自适应全阶状态定子磁链观测器结构
Fig.2 Structure of adaptive full-order state stator flux linkage observer
1.3 转速辨识
为解决煤矿井下轴编码器安装困难、成本较高等问题，在定子磁链观测器基础上进行速度估算。基于自适应全阶状态观测器的转速辨识电路如图3所示，其中，ura,urb,urc为转子相电压；ira,irb,irc为转子相电流。
利用李雅普诺夫稳定定理得到转速自适应律：
图3 自适应全阶状态定子磁链观测器的转速辨识电路
Fig.3 Speed identification circuit of adaptive full-order state stator flux observer
(11)
式中Kp,Ki分别为比例、积分系数。
将式(11)以标量形式表示，可得基于自适应全阶状态观测器的转速辨识自适应律[13-14]：
从式(12)可以看出，
的自适应规律为一种PI型的自适应率，图3中的转速自适应算法可以用(Kp+Ki/s)来代替。
2 仿真分析
2.1 仿真参数设置
为研究绕线电动机转子变频调速技术的可行性，验证自适应全阶状态定子磁链观测器及转速辨识的正确性，利用Matlab进行仿真，仿真用参数见表1。其中,PN为额定功率,UrN为额定电压,fN为额定频率,Te为额定转矩,Np为电动机极对数。
表1 转子变频调速技术仿真参数
Table 1 Simulation parameter of rotor-side frequency conversion speed regulation technology
2.2 磁链观测器仿真
传统电压型定子磁链观测器仿真波形及自适应全阶状态定子磁链观测器仿真波形分别如图4、图5所示。
图4和图5表明，相比于开环磁链观测器，自适应全阶状态观测器更精确，为实现转子电流转矩分量和励磁分量独立控制提供了前提条件。
图4 传统电压型定子磁链观测器仿真波形
Fig.4 Simulation waveform of traditional voltage type stator flux observer
图5 自适应全阶状态定子磁链观测器仿真波形
Fig.5 Simulation waveform of adaptive full-order state stator flux observer
2.3 转速辨识仿真
对煤矿提升机实际运行情况进行仿真，仿真条件：0 s时控制器发出启动指令，电动机以额定负载启动；初始给定转速为700 r/min，1 s时刻跃变为1 400 r/min，2 s时刻跃变为0(电动机停止)，3 s时刻跃变为-1 400 r/min，即电动机反向运行。实际转速与辨识转速曲线如图6所示。
图6表明，启动后，电动机能够快速响应给定转速变化，加减速过程平稳；此外，辨识转速能很好地跟踪实际转速，稳态时转速辨识误差几乎为零；低速段启动过程转速辨识误差略大。
电磁转矩曲线和全过程A相电流曲线分别如图7、图8所示。
图7和图8表明，启动后，电动机的电磁转矩快速上升至启动转矩(1.5 倍额定转矩)，并保持恒定，电动机恒加速启动。
(a) 全过程实际转速与辨识转速曲线
(b) 稳态过程实际转速与辨识转速曲线
(c) 启动过程实际转速与辨识转速曲线
图6 实际转速与辨识转速曲线
Fig.6 Actual speed and identification speed curves
图7 电磁转矩曲线
Fig.7 Electromagnetic torque curve
3 实验验证
对绕线电动机转子变频技术的可行性进行实验验证,实验用电动机参数见表1。实验时，转速给定初始值为0.4 pu，稳定运行后阶跃升至0.8 pu。因实验条件有限，电动机处于空载状态。定子磁链观测器波形和转速响应曲线分别如图9、图10所示。
图8 全过程A相电流曲线
Fig.8 Whole process A phase current curve
图9 定子磁链观测器波形
Fig.9 Waveform of stator flux observer
图10 转速响应曲线
Fig.10 Speed response curve
图9和图10表明，电动机实际运行过程中，自适应全阶状态定子磁链观测器的观测效果较好；利用估算转速进行控制时，电动机可快速、精确地加速到给定值，给定转速变化时，电动机亦能快速响应，验证了绕线电动机转子变频技术的可行性。
4 结语
针对目前高压绕线电动机变频调速系统存在的问题，研究了一种基于定子磁链定向的转子变频调速技术。利用自适应全阶状态观测器对定子磁链进行观测，确保转子电流励磁及转矩分量的解耦控制；利用定子磁链观测器进行转速辨识，解决了煤矿井下轴编码器安装困难的问题。通过仿真验证了自适应全阶状态观测器的精度较好，通过硬件平台验证了高压绕线电动机转子变频调速技术的可行性。
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