煤礦提升機(jī)雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)研究

陳君宇， 張宏耀

(山西西山煤電股份有限公司 西曲煤礦， 山西 古交 030200)

0 引言

提升機(jī)是煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要機(jī)械設(shè)備，布置于斜井或豎井中，主要用于對(duì)煤炭、設(shè)備和人員等進(jìn)行井上和井下的往返運(yùn)輸。它作為礦井的“咽喉”要道，其工作狀態(tài)直接影響到物料的運(yùn)輸效率和人員、設(shè)備安全。因此,提升機(jī)必須具備較高的穩(wěn)定性和安全性。其中提升機(jī)的電控系統(tǒng)尤為發(fā)揮關(guān)鍵性的作用。

傳統(tǒng)提升機(jī)調(diào)速采用串聯(lián)電阻調(diào)速等方案，其電控系統(tǒng)體積大、接線復(fù)雜、耗能高、可靠性差，已逐漸被淘汰。隨著電控技術(shù)的發(fā)展,以及人們對(duì)提升機(jī)性能要求的提高，新的提升機(jī)調(diào)速方案設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)[1-3]。本文著重對(duì)提升機(jī)的雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速進(jìn)行技術(shù)研究。

1 提升機(jī)電控系統(tǒng)性能要求

隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度和安全性要求的提高，對(duì)提升機(jī)的電控系統(tǒng)提出了以下性能要求：

1) 調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)節(jié)精度高。礦井提升機(jī)在運(yùn)輸不同物料時(shí)的負(fù)荷相差較大，且要求調(diào)速范圍寬。為避免速度突變?cè)斐傻臎_擊，要求調(diào)速過程更加平穩(wěn)。同時(shí),在調(diào)節(jié)精度上，主要對(duì)靜態(tài)轉(zhuǎn)差率具有一定要求，即保證電控系統(tǒng)根據(jù)不同負(fù)荷狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)速度偏差。另外，還應(yīng)避免在初始啟動(dòng)階段出現(xiàn)下墜現(xiàn)象。

2) 四象限均可穩(wěn)定運(yùn)行。提升機(jī)有提升和下放兩個(gè)方向的操作。而在單個(gè)操作中又分別有加速、勻速、減速、爬行和停車等過程，這要求電動(dòng)機(jī)在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)都按設(shè)定程序進(jìn)行驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)作業(yè)，故電控系統(tǒng)需在四個(gè)象限內(nèi)均穩(wěn)定運(yùn)行。

3) 故障監(jiān)測(cè)能力可靠。可靠的故障監(jiān)測(cè)是保證提升機(jī)穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4) 滿足節(jié)能降耗需求。提升機(jī)啟停運(yùn)動(dòng)頻繁，電動(dòng)機(jī)耗能較大。為降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，應(yīng)通過技術(shù)革新和進(jìn)步不斷降低電能損耗[4-6]。

在諸多新型提升機(jī)調(diào)速方案中，基于雙變量交-交變頻雙饋調(diào)速的系統(tǒng)方案可顯著降低用電能耗，提高生產(chǎn)效率，且調(diào)速更加平穩(wěn)。

2 雙饋調(diào)速的基本原理

雙饋調(diào)速由串級(jí)調(diào)速理論發(fā)展而來。其中“雙饋”是指將繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組分別與交流電網(wǎng)連接，或者與其他含電動(dòng)勢(shì)的電路連接，由此可使電功率相互傳遞，這就是廣義的雙饋電動(dòng)機(jī)。雙饋調(diào)速中，矢量控制方法包括轉(zhuǎn)子磁鏈定向、定子磁鏈定向和氣隙磁鏈定向3種。通過分析研究，本文采用第一種方法，即將定子正常連接工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子上施加一個(gè)附加電勢(shì)，通過調(diào)節(jié)該附加電勢(shì)的相關(guān)參數(shù)即可控制轉(zhuǎn)速。具體原理如下：

雙饋調(diào)速基本原理如圖1所示。將由CU1和CU2組成的全控型功率變化單元與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相連，在不同工況下，CU1和CU2可實(shí)現(xiàn)逆變和整流功能的相互轉(zhuǎn)換。例如當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，處于電動(dòng)模式時(shí)，從電網(wǎng)輸入功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，則CU2負(fù)責(zé)整流，CU1負(fù)責(zé)逆變，如圖1(a)所示；當(dāng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，處于發(fā)電模式時(shí)，負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并由定子側(cè)將電功率輸出至電網(wǎng)，則CU1負(fù)責(zé)整流，CU2負(fù)責(zé)逆變,如圖1(b)所示。由此構(gòu)成的雙向變頻器可實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳遞。

(a) 電動(dòng)模式

(b) 發(fā)電模式

3 轉(zhuǎn)子磁鏈定向雙饋調(diào)速方法研究

轉(zhuǎn)子磁鏈定向技術(shù)中，轉(zhuǎn)子的滑環(huán)與變頻器相連，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能的提取和回饋。通過改變變頻器的輸出頻率、輸出電壓相位、幅值等參數(shù)，可最終改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速及功率因數(shù)等。

該型電動(dòng)機(jī)的等效電路原理如圖2所示。圖2中:Es、Is、Rs、Xs分別為定子側(cè)電壓、電流、電阻和電抗；Er、Xm分別為勵(lì)磁電抗值和勵(lì)磁電抗產(chǎn)生的電壓；Ea/s為轉(zhuǎn)子回路中全控變頻器產(chǎn)生的附加電動(dòng)勢(shì)；Ir、Rr分別為轉(zhuǎn)子側(cè)電流、轉(zhuǎn)子繞組每相電阻；Xr為s=1時(shí)每相的漏抗，s為轉(zhuǎn)差率。

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈定向雙饋調(diào)速等效原理

轉(zhuǎn)子側(cè)電流Ir可表示為：

(1)

假設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)合成電動(dòng)勢(shì)∑Er=sEr±Ea，則式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

1)Ea與sEr反相。當(dāng)兩者反相時(shí)，附加電動(dòng)勢(shì)Ea的接入使合成電動(dòng)勢(shì)∑Er減小，則流經(jīng)轉(zhuǎn)子的有功電流分量Irp和電磁轉(zhuǎn)矩都相應(yīng)減小。但由于轉(zhuǎn)子上的負(fù)載扭矩不變，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率s由此增大。當(dāng)轉(zhuǎn)差率s增大至滿足以下條件Er-Ea=sEr時(shí)，Irp不再變化，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載扭矩重新平衡，該轉(zhuǎn)差率記為s′。因此，當(dāng)附加電動(dòng)勢(shì)Ea幅值越大時(shí)，轉(zhuǎn)差率s′也越大，相應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也越低。

2)Ea與sEr同相。與式(1)原理相似，當(dāng)兩者同相時(shí)，合成電動(dòng)勢(shì)∑Er增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)差率s減小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大。

由以上可知，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出附加電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位，可對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)組成

雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)主要由提升容器位置檢測(cè)傳感器、PLC控制器、雙饋電動(dòng)機(jī)、逆變器、整流器、開關(guān)等組成,如圖3所示。整流器可向逆變器提供一個(gè)恒定電壓。逆變器則將該電壓調(diào)制輸出為特定幅值和相位的附加電源。傳感器一般采用在電動(dòng)機(jī)或減速機(jī)后安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器可對(duì)旋轉(zhuǎn)圓周進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后將該計(jì)數(shù)信號(hào)發(fā)送至PLC控制器。PLC控制器可計(jì)算出提升容器的實(shí)時(shí)位置，并由此控制逆變器和整流器工作，輸出指定幅值和相位的附加電動(dòng)勢(shì)，由此控制提升容器的加速和減速過程。

圖3 雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

5 調(diào)速控制過程

5.1 速度控制曲線

由于提升機(jī)需頻繁上下運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)，故為減小設(shè)備沖擊，兼顧安全性和運(yùn)輸效率要求，需設(shè)計(jì)合理的提升機(jī)運(yùn)行速度曲線,如圖4所示。提升機(jī)運(yùn)動(dòng)主要分為啟動(dòng)階段、低速勻速階段、主加速階段、高速勻速階段、減速階段和停車階段。

圖4 提升機(jī)運(yùn)動(dòng)速度曲線

5.2 不同階段的調(diào)速特點(diǎn)

1) 啟動(dòng)階段。電磁力矩T的計(jì)算公式為：

(3)

式中:f為定子側(cè)的電源頻率;p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

啟動(dòng)階段中，Ea與sEr基本同相，當(dāng)輸出的附加電動(dòng)勢(shì)幅值增大時(shí)，轉(zhuǎn)子電流Ir增大，電磁力矩T也增大，以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。

2) 低速勻速階段。當(dāng)提升機(jī)啟動(dòng)一段時(shí)間后，改變附加電動(dòng)勢(shì)的相位方向，可減小轉(zhuǎn)子電流和電磁力矩，直至與負(fù)載力矩相平衡，提升機(jī)開始勻速運(yùn)動(dòng)。

3) 主加速和高速勻速階段。低速勻速運(yùn)行一段時(shí)間后，可保持附加電動(dòng)勢(shì)的相反相位，但逐漸減小其幅值，則轉(zhuǎn)子電流增加，轉(zhuǎn)速會(huì)不斷增大，處于主加速狀態(tài)。隨著轉(zhuǎn)速不斷增大，合成電動(dòng)勢(shì)不斷減小，電磁力矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩在一定狀態(tài)下重新平衡，保持了此時(shí)的附加電動(dòng)勢(shì)不變，則提升機(jī)進(jìn)入勻速運(yùn)行。

4) 減速、停車階段。此階段中，通過降低附加電動(dòng)勢(shì)的幅值，可減小轉(zhuǎn)子電流，并使合成電動(dòng)勢(shì)減小，從而實(shí)現(xiàn)減速和停車。

6 結(jié)論

提升機(jī)是保證煤礦安全和高效生產(chǎn)的重要機(jī)械設(shè)備。針對(duì)提升機(jī)調(diào)速中的雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案，本文在分析了雙饋調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的轉(zhuǎn)子磁鏈定向雙饋調(diào)速方法的電學(xué)原理及雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。最后,結(jié)合提升機(jī)速度控制曲線，對(duì)不同提升階段的調(diào)速特點(diǎn)進(jìn)行了分析。