關(guān)于煤礦機(jī)電工程中的DTC變頻技術(shù)研究

陳慶

摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電力技術(shù)也得到了極快的發(fā)展，其中變頻控制的技術(shù)逐漸在煤礦機(jī)電設(shè)備中得到普遍性的運(yùn)用，以有效地提升煤礦機(jī)電設(shè)備的效率與可靠性能?；诖?，本文介紹了DTC的采煤機(jī)中的變頻技術(shù)，從變頻調(diào)速技術(shù)的構(gòu)成、磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)、變頻調(diào)節(jié)、定子電壓的選取角度對(duì)于DTC變頻技術(shù)應(yīng)用情況加以研究，再通過(guò)相關(guān)仿真軟件系統(tǒng)地分析，提出一些優(yōu)化的方案。

關(guān)鍵詞：煤礦機(jī)電工程；DTC變頻技術(shù)；研究

如今，變頻技術(shù)因其自身的較高的效能與良好的實(shí)用性能等特點(diǎn)，已得到更多的礦產(chǎn)公司的認(rèn)可與應(yīng)用，變頻技術(shù)在礦山機(jī)電設(shè)備中被大量運(yùn)用。煤礦機(jī)電作為當(dāng)代煤企業(yè)向前發(fā)展的技術(shù)保障，采煤機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)于采煤工作的生產(chǎn)效率起到了決定性作用。當(dāng)前我國(guó)的采煤機(jī)從原來(lái)鏈牽引到無(wú)鏈的牽引模式，向著電牽引模式發(fā)展。電牽引時(shí)會(huì)提升采煤的效率。其中分成直流和交流兩個(gè)方式。二者各自具體不同的特點(diǎn)。本文對(duì)于這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了具體分析與研究。

一、當(dāng)前煤礦企業(yè)機(jī)電的交流變頻調(diào)速技術(shù)分析

交流變頻的技術(shù)是現(xiàn)階段我國(guó)普遍運(yùn)用于煤礦機(jī)電中的一種調(diào)速技術(shù)，按照控制的形式可大體劃分為以下四個(gè)種類(lèi)。其一，開(kāi)關(guān)的恒壓比控制技術(shù)。這種控制形式的特點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單、投入的成本較少，可是系統(tǒng)的功能相對(duì)差一些，而且其控制的曲線(xiàn)會(huì)受到負(fù)載的制約，轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用率較低，響應(yīng)的速度也很慢；其二 ，電壓的空間矢量控制技術(shù)。這種變頻的技術(shù)把三相的波形轉(zhuǎn)化的成效當(dāng)作控制的條件，按照電機(jī)氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軌跡，產(chǎn)生三相的波形圖像，依據(jù)圖像內(nèi)切形式，還引進(jìn)了頻率補(bǔ)償達(dá)到對(duì)于操作的控制。其主要優(yōu)點(diǎn)是變頻技術(shù)的控制精確度很高，且各項(xiàng)的功能相對(duì)平穩(wěn)，缺陷是由于電力的環(huán)節(jié)太多，沒(méi)有相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)的總體性能無(wú)法達(dá)到合理的改善；其三，矢量控制的變頻技術(shù)。這種技術(shù)主要讓交流經(jīng)坐標(biāo)更換的方式轉(zhuǎn)化成直流，模擬直流的控制方式，得到控制力，然后通過(guò)坐標(biāo)更換達(dá)到對(duì)操作的控制。由于坐標(biāo)的更換一般是經(jīng)過(guò)了磁動(dòng)勢(shì)等形式的電流的空間矢量來(lái)完成的，所以對(duì)這個(gè)技術(shù)變頻的系統(tǒng)又可以叫做矢量控制的系統(tǒng)。這樣的控制形式有著很多的優(yōu)勢(shì)，如可以在零轉(zhuǎn)速的條件下完成速度的調(diào)節(jié)，或在較低的速度下，也能夠正常運(yùn)行，其調(diào)速的空間也很大，可以按照轉(zhuǎn)矩來(lái)完成控制，而且系統(tǒng)的響應(yīng)速度極快，加速性能也良好。然而，這類(lèi)的變頻技術(shù)其控制功能容易受到電動(dòng)機(jī)的參數(shù)的制約；其四，直接轉(zhuǎn)矩的控制DTC變頻技術(shù)。這種技術(shù)不用展開(kāi)電動(dòng)機(jī)的模型解耦，直接對(duì)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩加以控制，改良了其他矢量控制的技術(shù)存在的缺點(diǎn)，是變頻技術(shù)中的一項(xiàng)重要的突破。這種DTC的變頻技術(shù)在定子的坐標(biāo)里分析交流機(jī)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)這樣的方式對(duì)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間做出有效的控制，不需要矢量控制技術(shù)的諸多運(yùn)算或坐標(biāo)的更換，其構(gòu)成相對(duì)更為簡(jiǎn)易，使得工作的效率得到了極大的提升。

二、直接轉(zhuǎn)矩控制的采煤機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的分析

采煤機(jī)的相關(guān)變頻調(diào)速的技術(shù)總體可劃分為兩大部分。即整流和逆變，整流主要應(yīng)用可逆轉(zhuǎn)的PWM整流設(shè)備，而逆變主要應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制。以下對(duì)于逆變器里的直接轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行具體分析。

（1）變頻調(diào)速技術(shù)的主要構(gòu)成

參照直接轉(zhuǎn)矩的變頻技術(shù)相關(guān)的調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成圖，對(duì)于異步的電動(dòng)機(jī)中磁鏈和轉(zhuǎn)速分別加以控制，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出當(dāng)作轉(zhuǎn)矩的期望數(shù)值，還要設(shè)計(jì)出相對(duì)的進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制的內(nèi)環(huán)，為了避免由于磁鏈對(duì)于轉(zhuǎn)速分支系統(tǒng)帶來(lái)的影響，以免磁鏈與轉(zhuǎn)速的相近解耦狀況發(fā)生。

（2）磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀察中的變頻調(diào)節(jié)

其一，觀察電壓的模型。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制要先進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈相關(guān)的反饋信息的獲取，可是在實(shí)際工作中這兩種信號(hào)都是不容易觀測(cè)到的，以往的形式主要是通過(guò)狀態(tài)重構(gòu)模式對(duì)于磁鏈和轉(zhuǎn)矩來(lái)觀測(cè)。其中對(duì)磁鏈的觀測(cè)方式有幾種類(lèi)型，較簡(jiǎn)單的還屬定子電壓的方程，反電勢(shì)E通過(guò)積分環(huán)節(jié)形式獲取定子磁鏈的分量。以上的模型從理論的角度是可行的，若是轉(zhuǎn)速不大、定子的電阻電壓降很大的時(shí)候，其反電勢(shì)E會(huì)趨向于零，所以測(cè)量的失誤很容易把反電勢(shì)忽視掉，進(jìn)而引起磁鏈的觀測(cè)設(shè)備不能發(fā)揮出實(shí)際的果效。其二，觀察電流的模型。 磁鏈觀測(cè)設(shè)備一般經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的電壓（就是a-n的模型，或叫做電流的模型，過(guò)程略）經(jīng)過(guò)參見(jiàn)模型的構(gòu)成框架可以得出：模型里的設(shè)計(jì)電機(jī)的參數(shù)有很多，而且大多的參數(shù)因溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變動(dòng)，若是在中速或較高速度的條件下，這處模型不能準(zhǔn)確地觀測(cè)到電壓的模型。所以，為了有效地提升觀測(cè)的可靠性，可以把電壓和電流模型進(jìn)行綜合應(yīng)用，就是高速條件下，進(jìn)行電壓模型的切換；低速條件下轉(zhuǎn)為電流模型的切換。這里有一點(diǎn)值得關(guān)注，就是這個(gè)方法可以提升準(zhǔn)確性能，可是會(huì)帶來(lái)電流的跳動(dòng)。其三，磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行變頻的調(diào)節(jié)。磁鏈和轉(zhuǎn)矩其調(diào)節(jié)一般經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較設(shè)備來(lái)進(jìn)行。按照之前的分析，能夠把兩種滯環(huán)的比較設(shè)備綜合在一起，達(dá)到對(duì)電壓矢量的雙重控制，讓磁鏈一直處在給定值的左右，還可以讓電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)跟上指令，以更好地提高DTC變頻技術(shù)的控制效果。

（3）定子電壓的空間矢量獲取

為了獲取可靠的定子電壓的空間矢量，還要結(jié)合幾個(gè)因素，如轉(zhuǎn)矩的偏差、磁鏈?zhǔn)噶?、磁鏈偏差與扇區(qū)的部位等，具體可以利用磁鏈?zhǔn)噶康南嚓P(guān)分量還有坐標(biāo)中的變換關(guān)系來(lái)計(jì)算。最后可以求出轉(zhuǎn)矩偏差、扇區(qū)的未知數(shù)值還有磁鏈的偏差等，再依據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的相關(guān)操控規(guī)則，進(jìn)行下周期的電壓矢量的選取。

三、直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)的仿真及其結(jié)果研究

應(yīng)用仿真軟件對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩變頻的方案作出系統(tǒng)性的分析。直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)建立一個(gè)仿真的模型。觀測(cè)設(shè)備和調(diào)節(jié)設(shè)備都通過(guò)兩點(diǎn)式來(lái)展開(kāi)要觀測(cè)和調(diào)節(jié)，把轉(zhuǎn)矩和磁鏈其反饋的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值分別加以比較，還要對(duì)于生成的轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。把磁鏈向三相的坐標(biāo)軸投影，得到每個(gè)軸相對(duì)的分量，并按照正負(fù)狀況作出扇區(qū)的判別。 開(kāi)關(guān)情況經(jīng)過(guò)相關(guān)的函數(shù)模塊構(gòu)成。經(jīng)過(guò)列表的形式觀察可了解，一般是經(jīng)過(guò)零矢量達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩的，可是未想到磁通調(diào)節(jié)設(shè)備的輸出情況，由于磁通的波動(dòng)不大。還有選取的滯后矢量可以監(jiān)控對(duì)磁通的控制，然而還會(huì)助長(zhǎng)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)和電流，對(duì)穩(wěn)態(tài)性造成影響。

（一）仿真結(jié)果的分析：仿真參數(shù)選用情況：額定功率37.2 kW，額定電壓563 V，極對(duì)數(shù)為2，電子電阻為0.089Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.227Ω，定子漏感為0.7mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性2.03 kg/m2，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)設(shè)備的容差為1 Nm。仿真磁條是較為規(guī)則的圓形，表明了控制過(guò)程中磁鏈的幅值沒(méi)有改變，進(jìn)行勻速的旋轉(zhuǎn)，和理論結(jié)果一致。其轉(zhuǎn)速的響應(yīng)穩(wěn)定且迅速，從波形圖觀察，是三相電流的規(guī)范模式，波形的中心可以穩(wěn)定于轉(zhuǎn)矩設(shè)定數(shù)據(jù)的范圍中，可以正負(fù)的偏差較大，從仿真的結(jié)果還可了解到，DTC變頻技術(shù)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是很大的。

（二）優(yōu)化方案：因 DTC的變頻技術(shù)有著轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，會(huì)受采樣期限的制約，周期越大波動(dòng)也會(huì)更大，而采樣周期與開(kāi)關(guān)的頻率有關(guān)。因此，可以在逆變?cè)O(shè)備與電動(dòng)機(jī)之間安裝濾波部件，降低電流諧波引起的機(jī)器鐵耗量，以減少脈沖。另外，還可縮小轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的容差等。

結(jié)束語(yǔ)：

直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速技術(shù)不用把交流電進(jìn)行相關(guān)的轉(zhuǎn)換，這就省去了許多轉(zhuǎn)換中的計(jì)算量，也不用模擬直流電的控制與解耦等行為，還可以將交流的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，讓系統(tǒng)構(gòu)成更為簡(jiǎn)易，進(jìn)而可迅速進(jìn)行動(dòng)態(tài)的響應(yīng)。通過(guò)仿真軟件對(duì)于這種技術(shù)應(yīng)用方案作出分析，提出優(yōu)化方法，以此提升DTC變頻技術(shù)的使用性能。

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