SPWM在煤礦中應(yīng)用的現(xiàn)狀

賈傳圣　沈春良

摘要：電子技術(shù)在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用很廣，尤其是電機的調(diào)速。傳統(tǒng)的交流調(diào)壓技術(shù)主要是基于晶閘管調(diào)壓和交流斬波調(diào)壓的，二者突出的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。文章主要是基于SPWM電機調(diào)速在煤礦中的應(yīng)用的簡單研究，提高我們對SPWM技術(shù)發(fā)展的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：SPWM；煤礦；變頻調(diào)速裝置；異步電動機

中圖分類號：F270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0105-02

1 概述

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，由于變頻調(diào)速裝置具有優(yōu)異的節(jié)電效果和方便的電機調(diào)速性能，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化煤礦的采煤機、皮帶機、風機等需要頻繁啟動的大功率電機上。SPWM技術(shù)得到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用的范圍越來越廣。

2 異步電動機的SPWM調(diào)速原理

SPWM波形的形成方法也叫三角波調(diào)制法，它采用正弦波調(diào)制信號和三角載波信號通過比較器進行比較。正弦調(diào)制波與三角形載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的。SPWM法是一種比較成熟，且目前使用較廣泛的方法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。但是，由相電壓合成為線電壓時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。電路有兩種控制方法：相位控制和通斷控制。相控方式具有改變輸出電壓值的作用，但不能變頻，和它對應(yīng)的還有三相調(diào)壓電路，也采用相位控制方式，早期常用于電動機降壓啟動中，但在電源中產(chǎn)生大量諧波，因此可能會影響其他電器設(shè)備的正常使用，通斷控制不是在每個交流電源周期都對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，接通了m個周期，斷開了n個周期，從而改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)負載所消耗的平均功率，這種控制方式缺點在于電流中雖然不含整數(shù)倍頻率的諧波，但含有非整數(shù)倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數(shù)倍頻率的諧波含量較大。

所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流-交流（DC-AC）逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。近幾年來，由于場控自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)的高頻SPWM技術(shù)在電機調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發(fā)生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內(nèi)置波形ROM及相應(yīng)的控制邏輯，設(shè)置完成后可以獨立產(chǎn)生三相PWM波形，只有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預(yù)，微處理器只用很少的時間控制它，因而有能力進行整個系統(tǒng)的檢測、保護和控制等。基于SA8281和89C52的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價格比高、可靠性好等優(yōu)點，但在整個周期內(nèi)處于交替互補導通狀態(tài)，輸出波形在任何T/2內(nèi)均會出現(xiàn)正負交替的情況。根據(jù)調(diào)制脈沖極性又可分為單極性型和雙極性型。

3 煤礦中的調(diào)速

變頻器是精密的電子設(shè)備，其內(nèi)部的電子器件的性能與溫度密切相關(guān)。為了保證器件正常運行，必須規(guī)定最高允許溫度。溫度過高，器件特性與參數(shù)將會發(fā)生變化，甚至導致器件產(chǎn)生永久性的燒壞現(xiàn)象，并且井下環(huán)境惡劣、散熱條件差，因此散熱問題是井下變頻器遇到的最大難題。本論文要從變頻器的結(jié)構(gòu)及基本工作原理出發(fā)：

（1）提升機提升和下降的行程控制分為兩個過程：一個為正向提升行程，另一個為反向下降行程。行程控制主要將提升機的升降過程劃分成不同的行程區(qū)間，根據(jù)每一行程區(qū)間的實際情況，可以用不同的變頻調(diào)速控制提升機的升降速度。行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程中的變頻調(diào)速，而且控制提升機的停車和制動過程。行程控制可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發(fā)生，特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

（2）煤礦提升機的運行特點是在特定的環(huán)境條件下，以設(shè)定的速度做往復運動，完成人員和物料的升降運輸任務(wù)“為確保提升機能夠安全、高效、可靠地連續(xù)作業(yè)，整個裝備應(yīng)具備良好的機械操控性能，優(yōu)良的電氣控制設(shè)備和可靠的安全保護裝置”。鑒于提升機在煤礦安全生產(chǎn)中所處的重要地位，要求其電力傳動系統(tǒng)具備運行可靠、節(jié)能高效、靈活操控和準確定位的性能特征，以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要。

（3）采用變頻技術(shù)不僅縮小了驅(qū)動裝置的布置空間，而且可以實現(xiàn)軟啟動。在帶式輸送機中裝入皮帶秤動態(tài)稱重反饋控制，還可以實現(xiàn)帶式輸送機隨物料多少進行的變速運輸、重載加速、輕載減速、空載時停機。這樣不僅提高了運輸效率而且還節(jié)省了寶貴的電能資源，且使帶式輸送機橫向尺寸大大減小，結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，方便與現(xiàn)場設(shè)備配置，適用于機頭位置狹小的場合，因而不需要許多齒輪降速，也節(jié)省了許多成本。

（4）用變頻調(diào)速裝置配合鼠籠電機驅(qū)動粘彈塑性體的帶式輸送機，延遲特性嚴重，并且隨輸送距離、輸送量的增大變得更為明顯。帶式輸送機的旋轉(zhuǎn)部件（托輥、滾筒）較多，由于加工、安裝、維修等的差別以及輸送量的隨機變化，都會產(chǎn)生大量的隨機干擾。因此，帶式輸送機的帶速與變頻器的輸入頻率之間的關(guān)系就具有很大的模

糊性。

4 結(jié)語

交流調(diào)壓電源在當今的國民生活生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，比如：電動機軟啟動、風機和水泵的速度控制等領(lǐng)域。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們要求交流調(diào)壓電源必須安全可靠、節(jié)能環(huán)保等特點，與此同時電力電子技術(shù)和微控制器的發(fā)展為設(shè)備小型化、輕量化提供了可靠的保證。以傳統(tǒng)的SPWM逆變器為基礎(chǔ)，全面探討新型的逆變調(diào)壓電路，并在煤礦中得到應(yīng)用。通過改進算法實現(xiàn)新型的交流調(diào)壓電源，系統(tǒng)輸出電壓可調(diào)范圍寬，安全穩(wěn)定。

參考文獻

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（責任編輯：文 森）