礦井提升機(jī)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子定位技術(shù)的應(yīng)用和故障分析

趙曉博　趙大偉

摘 要：主要對(duì)礦井提升機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子定位技術(shù)以及應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了詳細(xì)解讀和分析，并重點(diǎn)介紹了轉(zhuǎn)子定位控制在實(shí)際應(yīng)用中常見的問題和解決方法。

關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)； 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子定位； 碼盤零脈沖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.128

0 引言

如果要在給定的定子電流（定子磁通）不變的情況下實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，就要求定子磁通矢量必須垂直于轉(zhuǎn)子磁通矢量。因此，必須隨時(shí)知道電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子坐標(biāo)系的位置。轉(zhuǎn)子的初始位置是由轉(zhuǎn)子定位檢測(cè)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，即在電機(jī)建立空載磁場(chǎng)的過程中，由電壓模型通過測(cè)量在定子繞組中感應(yīng)的三相感應(yīng)電壓（雙繞組同步電機(jī)為三相合成電壓），用電壓矢量三角形法則準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子在定子坐標(biāo)系的空間位置，此后便由電流模型在低速范圍用計(jì)算編碼器脈沖數(shù)來完成轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量跟蹤。

1 礦井提升機(jī)大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子定位技術(shù)說明

1.1 同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的必要性

普通同步電機(jī)對(duì)定子電壓或電流用矢量控制，既控制大小，又控制方向，改善了標(biāo)量控制方式下轉(zhuǎn)矩控制的性能。同步電動(dòng)機(jī)的所有矢量（磁通勢(shì)、磁鏈、電壓、電流等） 都在空間以同步速旋轉(zhuǎn)，它們?cè)诙ㄗ幼鴺?biāo)系 （靜止系） 上的各分量，即在定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計(jì)算不方便。借助于坐標(biāo)變換（3/2），使人從靜止坐標(biāo)系進(jìn)入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上看，電動(dòng)機(jī)各矢量都變成了靜止矢量，它們?cè)谧鴺?biāo)系上的各分量都是直流量，可以很方便地從統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量（電壓或電流等矢量）各分量間的關(guān)系（矢量分析），實(shí)時(shí)地算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量各分量的值（直流給定量）。由于這些被控矢量的直流分量在物理上不存在，還需再經(jīng)坐標(biāo)變換，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止系（矢量分析），把上述直流給定量變換成物理上存在的交流給定量（2/3變換），在定子坐標(biāo)系對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。因此，按磁場(chǎng)定向的旋轉(zhuǎn)矢量控制的關(guān)鍵是定子的靜止坐標(biāo)系和磁通的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，而完成坐標(biāo)變換的關(guān)鍵是確定兩坐標(biāo)系之間的夾角，即磁通位置角φs。隱極電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角λ0、負(fù)載角φL、和磁通位置角φs的關(guān)系如圖1所示，凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角λ0、負(fù)載角φL、和磁通位置角φs的關(guān)系如圖2所示。根據(jù)圖示，確定了轉(zhuǎn)子初始位置角λ0、轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)子位置和負(fù)載角φL，就能實(shí)時(shí)地得到磁通位置角φs。

1.2 同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子定位的方法

（1）確定初始位置角λ0：礦井提升用的同步電機(jī)的起動(dòng)是從建立空載磁場(chǎng)和檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置開始的，勵(lì)磁電流控制裝置得到使能指令給電機(jī)勵(lì)磁繞組輸出空載勵(lì)磁電流IE0（如圖4a所示），diE/dt在定子各相繞組中產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓脈沖（如圖4b所示）；感應(yīng)電壓脈沖的幅值和正負(fù)取決于電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定各相繞組的空間位置。控制系統(tǒng)用矢量三角形法則準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子的初始位置；由于電機(jī)速度為零，定子電流沒有使能，電機(jī)沒有負(fù)載，所以負(fù)載角為零，這種情況下磁通位置角就等于轉(zhuǎn)子的位置角（如圖3所示）。

（2） 編碼器對(duì)轉(zhuǎn)子位置的跟蹤測(cè)量。在電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置確定之后，電機(jī)一旦旋轉(zhuǎn)起來，就在該初始位置的基礎(chǔ)上加上或者減去編碼器A/B通道測(cè)量的位置，直至零脈沖信號(hào)到來復(fù)位位置計(jì)數(shù)，再重新開始從零計(jì)數(shù)，如圖4c） 所示。

2 礦井提升機(jī)大型同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置問題分析

由同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的原理和方法可以將定位過程分為初始定位和運(yùn)行定位兩個(gè)部分，應(yīng)用中出現(xiàn)的故障也可以分為初始定位故障和運(yùn)行位置跟蹤故障兩類。

2.1 轉(zhuǎn)子初始定位類故障實(shí)例分析

（1）在空間有30度相移的雙繞組同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，要測(cè)定電機(jī)繞組系統(tǒng)2相對(duì)于電機(jī)繞組系統(tǒng)1的相位關(guān)系，不管電機(jī)的繞組系統(tǒng)2超前繞組系統(tǒng)1或者滯后繞組系統(tǒng)1，都要確保系統(tǒng)合成的電壓矢量永遠(yuǎn)應(yīng)該和繞組系統(tǒng)1的電壓矢量相位相同，如圖5所示。

圖6所示為轉(zhuǎn)子初始位置定位過程中的勵(lì)磁電流實(shí)際值和磁通實(shí)際值，從記錄的波形可以看出，在勵(lì)磁電流達(dá)到空載勵(lì)磁電流并穩(wěn)定運(yùn)行的過程中，定子電壓實(shí)際值檢測(cè)環(huán)節(jié)測(cè)量到了三相繞組的感應(yīng)電壓，但是磁通實(shí)際值只能達(dá)到70%左右，最后故障跳閘。分析原因?yàn)椋捎谠撏诫姍C(jī)是雙繞組系統(tǒng)電機(jī)，而且電機(jī)兩套繞組空間相差30度；這種現(xiàn)象應(yīng)該是繞組系統(tǒng)1和2相位關(guān)系錯(cuò)誤導(dǎo)致定子三相感應(yīng)電壓實(shí)際值在電機(jī)矢量模型計(jì)算的磁通值和磁通位置角出現(xiàn)較大偏差，轉(zhuǎn)子定位失敗。

（2）由于轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是檢測(cè)電機(jī)側(cè)感應(yīng)電壓來計(jì)算的，所以同步電機(jī)定子繞組系統(tǒng)1和繞組系統(tǒng)2的功率電纜連接極性、電機(jī)定子主回路、電壓實(shí)際值檢測(cè)回路等任何環(huán)節(jié)的故障，都能引起反饋而來的電壓實(shí)際值誤差或者故障，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)失敗。

如圖7所示為電機(jī)兩個(gè)定子平行繞組極性接反，在磁場(chǎng)建立過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)合成后接近于零，造成磁通實(shí)際值接近于零（圖7磁通值僅4%左右），無法建立磁場(chǎng)也不能檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置。

如圖8所示為在磁場(chǎng)建立過程中電機(jī)六相定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)，檢查發(fā)現(xiàn)定子一號(hào)系統(tǒng)A相電壓缺失，這樣的情形也是不能正確計(jì)算磁通值，無法準(zhǔn)確檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置。

2.2 轉(zhuǎn)子初始定位類故障實(shí)例分析

（1）編碼器的安裝精度，可靠性和穩(wěn)定性等直接影響轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在調(diào)試和使用中由于碼盤的原因引起的問題在礦山提升機(jī)同步電機(jī)傳動(dòng)中非常普遍，下圖9所示為由于編碼器機(jī)械安裝不穩(wěn)定，發(fā)生實(shí)際值突變引起速度實(shí)際值、轉(zhuǎn)子位置變化，導(dǎo)致定子電流轉(zhuǎn)矩分量階躍的波形記錄。

（2） 編碼器的安裝精度不夠、齒輪間隙大、軸連接固定鍵銷松動(dòng)等都會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中系統(tǒng)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置累積誤差，而且這個(gè)誤差會(huì)逐漸增大，直到超限故障跳閘，再次建立磁場(chǎng)重新對(duì)轉(zhuǎn)子初始定位之后又能啟動(dòng)運(yùn)行，但是新的累積誤差又會(huì)出現(xiàn)，相對(duì)來說這種故障隱蔽性較強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)問題的原因比較難。

如圖10所示就是由于同步電機(jī)編碼器的安裝精度不夠、間隙大，在加減速過程中累積誤差大造成電流模型和電壓模型磁通位置角的偏差超限的波形?？梢耘c正常的加減速過程中負(fù)載角、電流電壓模型磁通位置角偏差的波形進(jìn)行（如圖11所示）比較分析；從圖10的波形可以明顯看出，位置檢測(cè)編碼器的累積誤差引起的兩個(gè)模型的角度偏差達(dá)到了偏差角最大值的60%以上。

3 結(jié)語

礦井提升機(jī)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是傳動(dòng)控制系統(tǒng)的起始功能，又貫穿整個(gè)提升生產(chǎn)周期；由于該環(huán)節(jié)既涉及到電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)和功率電纜連接，又涉及到電壓實(shí)際值檢測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，同時(shí)也與轉(zhuǎn)子定位編碼器的機(jī)械安裝有關(guān)，是實(shí)際應(yīng)用中故障率相對(duì)較高的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的電氣設(shè)備和技術(shù)直接影響到礦井的提升效率，更關(guān)乎到礦井提升的安全性。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)環(huán)節(jié)相關(guān)設(shè)備的深度維護(hù)和科學(xué)管理，才能為傳動(dòng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行與日常的維護(hù)管理夯實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李崇堅(jiān).交交變頻磁場(chǎng)定向控制同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究[D].清華大學(xué)博士學(xué)位論文，1993.

[2]馬小亮.交交變頻交流調(diào)速[J].電氣傳動(dòng)，1991（05）.

[3]SIEMENS.Cycloconverter，2002.