1 引言

　　礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，肩負(fù)著井上、井下聯(lián)絡(luò)的重任，提升機(jī)控制系統(tǒng)工作的安全可靠性，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益［1］。串聯(lián)h橋的多電平高壓變頻提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，雖然不像重要場(chǎng)合的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載那樣要求系統(tǒng)能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)變頻器功率單元出現(xiàn)故障時(shí)可以立即停止提升機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行單元更換、檢修處理，待故障排除后繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，但是當(dāng)提升機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，若變頻器某一相的一個(gè)或幾個(gè)，甚至多相的多個(gè)h橋功率單元同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，要求提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)必須能夠繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以提供足夠的制動(dòng)力矩將提升機(jī)制動(dòng)。因此，提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在變頻器故障狀態(tài)下能否繼續(xù)運(yùn)行，是值得研究的問題。

　　目前，國(guó)內(nèi)對(duì)串聯(lián)h橋型變頻器故障單元的處理主要有旁路技術(shù)、熱插拔技術(shù)等，這些只是用于對(duì)故障單元硬件方面的處理，在控制方式上并沒有得到改善。同時(shí)存在變頻器的輸出電壓不對(duì)稱、對(duì)操作人員人身安全有一定的危險(xiǎn)以及備用h橋單元的投入需要一定的時(shí)間。本文主要針對(duì)6kv九電平電壓空間矢量控制變頻器，分析當(dāng)單元故障時(shí)，如何對(duì)電壓矢量開關(guān)狀態(tài)重新選擇，保證串聯(lián)h橋功率單元故障時(shí)，提升機(jī)能夠提供最大的制動(dòng)力矩。在matlab/simulink環(huán)境下對(duì)提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了故障運(yùn)行仿真分析。

2 故障運(yùn)行時(shí)逆變器的控制方法

　　為了使提升機(jī)在串聯(lián)h橋功率單元故障時(shí)提供最大制動(dòng)力矩，并使傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的電壓軌跡接近圓形，需要確定最小的kdx，令此最小值為kdmin，將kdmin所對(duì)應(yīng)的正六邊形，作為變頻器最大電壓矢量幅值的參考。

　　為了使傳動(dòng)系統(tǒng)輸出達(dá)到式（2）確定的最大幅值，對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整之后，傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的三相相電壓的相位、幅值都很可能會(huì)不對(duì)稱，但輸出的線電壓是對(duì)稱的，電動(dòng)機(jī)仍然可以對(duì)稱運(yùn)行。

　　在傳統(tǒng)的故障單元旁路方式中，為保證線電壓對(duì)稱，必須保證相電壓是對(duì)稱的，所以必須將某些正常串聯(lián)h橋功率單元一同旁路，限制了傳動(dòng)系統(tǒng)的帶載能力。與傳統(tǒng)的故障單元旁路方式相比，應(yīng)用svpwm控制技術(shù)的開關(guān)狀態(tài)調(diào)整方式，在同樣的故障狀態(tài)下，能夠輸出幅值更大的正弦電壓，能夠?yàn)樘嵘龣C(jī)制動(dòng)提供更大的力矩。

　　2.1 參考電壓矢量限幅

　　當(dāng)串聯(lián)h橋功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，如果參考電壓矢量vr*的幅值大于vmax，那么vr*就無法通過變頻器輸出實(shí)現(xiàn)，此時(shí)必須對(duì)vr*進(jìn)行限幅。一種簡(jiǎn)單可行的方法，就是將vmax作為參考電壓矢量的幅值，將矢量vr*的角度作為參考電壓矢量的角度。設(shè)參考電壓矢量vr*在m-n坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（vrm*，vm*），如圖1所示。根據(jù)余弦定理可以計(jì)算，參考電壓矢量vr*的幅值vr*為：

　　因此，為了使參考電壓矢量為圓形，將其限制在圖1用虛線表示的正六邊形內(nèi)切圓上，只需將vr*按比例λ縮短，其中。

　　圖2中（a）所示為c相串聯(lián)h橋功率單元全部發(fā)生故障時(shí)，參考電壓及限幅前后傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的電壓矢量分布圖。

　　2.2 開關(guān)狀態(tài)的調(diào)整

　　采用電壓空間矢量調(diào)制時(shí)，根據(jù)參考電壓矢量確定電壓矢量及開關(guān)狀態(tài)［3］。當(dāng)串聯(lián)h橋功率單元發(fā)生故障后，某些電壓矢量已無法通過所選的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)這些開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的原則是使零序電壓盡可能保持最小。

　　例如開關(guān)狀態(tài)（2，1，-3），在c相兩個(gè)串聯(lián)h橋功率單元故障的情況下就無法得到，為了使零序電壓最小，所以調(diào)整開關(guān)狀態(tài)為（3，2，-2），零序電壓由0變?yōu)?。通過此種調(diào)整，歸根到底就是通過增加a、b兩相的電壓來補(bǔ)償c相無法提供的那部分電壓。

　　為了增強(qiáng)開關(guān)狀態(tài)（va，vb，vc）調(diào)整的自適應(yīng)能力，在本文的仿真系統(tǒng)中采用實(shí)時(shí)計(jì)算的方式來實(shí)現(xiàn)，調(diào)整計(jì)算的流程圖如圖3所示。圖2中（b）為c相串聯(lián)h橋功率單元全部發(fā)生故障時(shí)開關(guān)狀態(tài)調(diào)整前后的仿真波形。

　　2.3 故障運(yùn)行時(shí)的觸發(fā)脈沖循環(huán)控制

　　串聯(lián)h橋功率單元發(fā)生故障后，觸發(fā)脈沖的循環(huán)必須忽略該故障單元，循環(huán)只在正常的串聯(lián)h橋功率單元之間進(jìn)行。

　　在仿真模型中，采用脈沖選擇連接器循環(huán)選擇的方式來實(shí)現(xiàn)，a、b、c三相的串聯(lián)h橋功率單元故障矩陣分別用fa、fb、fc表示，fa、fb、fc均為4×1矩陣，每個(gè)矩陣的四個(gè)元素對(duì)應(yīng)各相中串聯(lián)的四個(gè)h橋功率單元故障狀態(tài)，“1”表示單元正常，“0”表示單元故障。例如，a1、a3故障，則fa=［0，1，0，1］t；若b4故障，則fb=［1，1，1，0］t。

　　由于三相觸發(fā)脈沖控制方式相同，在此以a相為例進(jìn)行說明。為方便表述，將fa記為fa=［fa1， fa2， fa3，

　　fa4］t，因此，ea的計(jì)算可以描述為：

　　ea=fa1+fa2+fa3+fa4 （4）

　　用f1、f2、f3、f4分別表示四個(gè)功率單元的脈沖循環(huán)序列初值，與fa各元素的關(guān)系為：

　　初值確定后，還要將觸發(fā)脈沖循環(huán)控制序列進(jìn)行修正，觸發(fā)脈沖循環(huán)序列由串聯(lián)h橋功率單元全部正常時(shí)的0-1-2-3-0-1-2-3-……，修正為故障狀態(tài)循環(huán)序列0-1-……-（ea-1）-0-1-……-（ea-1）-……。加上初值后，故障狀態(tài)時(shí)的觸發(fā)脈沖循環(huán)控制序列瞬時(shí)值f1′、f2′、f3′、f4′取值范圍為：

　　因此可以判斷，如果f1′、f2′、f3′、f4′取值大于或者等于p，則說明其對(duì)應(yīng)的功率單元發(fā)生故障，將觸發(fā)脈沖選擇至無效端口，用于封鎖脈沖輸出（仿真模型中設(shè)定此時(shí)逆變器電壓輸出為零）；如果取值小于p，將f1′、f2′、f3′、f4′分別對(duì)ea取余，計(jì)算的結(jié)果用于連接器選擇。圖4所示為a1故障時(shí)的觸發(fā)脈沖循環(huán)控制序列及各功率單元連接器選擇仿真圖形。

3 仿真分析

　　基于simulink對(duì)串聯(lián)h橋九電平提升機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，該系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，變頻系統(tǒng)中每個(gè)h橋逆變單元采用仿真系統(tǒng)中直流電壓?jiǎn)为?dú)供電。系統(tǒng)容量的參數(shù)選擇留有一定裕量，當(dāng)只有一個(gè)功率單元故障是，系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)受到任何影響，所有的串聯(lián)h橋單元故障都集中發(fā)生在某一相時(shí)，負(fù)載不平衡最為嚴(yán)重，因此，僅對(duì)a相四個(gè)功率單元發(fā)生故障情況作了仿真。

　　仿真參數(shù)設(shè)置：仿真系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)根據(jù)yr118/44-10型提升電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選取，逆變系統(tǒng)igbt功率模塊額定電壓2000v，額定電流400a。直流側(cè)電壓為vdc=1200v。

　　圖5為a相的所有串聯(lián)h橋功率單元都發(fā)生故障時(shí)的波形。為了將提升機(jī)轉(zhuǎn)速給定和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線區(qū)分得更明顯，仿真設(shè)定的角加速度為-21rad/s2。從圖（c）所示的轉(zhuǎn)矩波形可以看出，由于變頻器輸出的最大電壓降低，提升電動(dòng)機(jī)反向電動(dòng)勢(shì)的影響時(shí)間比兩個(gè)串聯(lián)h橋功率單元故障時(shí)要長(zhǎng)，待轉(zhuǎn)速降低之后，電磁轉(zhuǎn)矩仍然能控制提升電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之與給定轉(zhuǎn)速吻合。圖（e）和（f）所示為變頻器網(wǎng)側(cè)三相電流以及輸入變壓器主繞組的環(huán)流，三相電流的不平衡程度加劇，變壓器原邊繞組環(huán)流的峰值增大。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，某一時(shí)刻有更多的串聯(lián)h橋功率單元同時(shí)損壞的可能性很小。從上述的波形分析來看，當(dāng)串聯(lián)h橋功率單元發(fā)生故障時(shí)，雖然變壓器繞組環(huán)流較大，但系統(tǒng)在較大環(huán)流下的工作時(shí)間很短，采用參考電壓限幅以及開關(guān)狀態(tài)調(diào)整的控制方式，可以保證提升電動(dòng)機(jī)的安全制動(dòng)和停機(jī)，滿足煤礦提升的控制要求。

4 結(jié)束語

　　本章針對(duì)串聯(lián)h橋功率單元故障，分析了單元故障對(duì)電壓矢量的影響，為了保障傳動(dòng)系統(tǒng)輸出三相線電壓對(duì)稱，并且確保傳動(dòng)系統(tǒng)輸出的零序電壓最小，闡述了參考電壓矢量限幅、開關(guān)狀態(tài)調(diào)整及觸發(fā)脈沖循環(huán)控制的控制方式。在matlab/simulink搭建了單元故障狀態(tài)時(shí)的控制模型，通過仿真，實(shí)現(xiàn)了上述串聯(lián)h橋功率單元故障的控制方式，系統(tǒng)有較好故障運(yùn)行能力。