礦用提升機雙饋電機控制系統(tǒng)

王雙虎

（潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

0 引言

礦井提升機是礦井開采運輸的關鍵設備。在開采過程中，井下人員，礦物運輸頻繁。提升機一旦出現故障，會嚴重影響礦井的生產。因此，為了提高礦山開采的生產效率，應保證礦井提升機的安全性和可靠性[1-3]。

其中，礦井提升機電控系統(tǒng)的綜合性能是決定其穩(wěn)定運行的關鍵設備。目前，國內礦井提升機電控系統(tǒng)主要以異步電動機串電阻調速和晶閘管直流調速為主，這2種調速系統(tǒng)缺點包括電動機運行效率相對低下，維護工作難度高等。尤其是提升機構在亞同步區(qū)間運行時，異步電動機串電阻調速系統(tǒng)還需要額外增加設備用于制動減速，減少了井下作業(yè)的空間。為解決上述問題，文章為礦井提升機構設計了一套雙饋電動機直接轉矩控制系統(tǒng)[4-6]。

1 雙饋電機控制系統(tǒng)結構

礦井提升機雙饋電機調速的主要結構如圖1所示，由雙饋電動機，位置傳感器，提升機滾筒，雙PWM脈寬調制變換器組成。其中PWM脈寬調質變換器由PWM整流器和PWM逆變器兩部分組成，整流器的作用是將電網恒定電壓，轉換成一個期望的直流電壓值，提供給PWM逆變器；PWM逆變器再將直流電壓轉變?yōu)殡p饋電機轉子外接電源。該電源的頻率、幅值、相位均可調整，以滿足雙饋電機對調升機構的調速要求。

圖1 交流雙饋提升機調速系統(tǒng)

從圖中可以看出，提升機提升速度由控制器2提供，圖中w*是雙饋電機轉速與提升機提升速度轉換的變量，利用電機轉速轉矩與電機電壓Ua、Ub、Uc的對應值，通過PWM逆變器，轉換成一個恒定的電壓值Ud。雙饋電機轉子繞組感應電勢的頻率要與PWM生成的電源頻率的一致[7-8]。

控制器1是根據逆變器需要的電壓值Ud,給PWM整流器一個預期的Ud*電壓，PWM整流器的作用就是將電網電壓轉換成Ud*。為了保證整流器能夠快速響應電壓的變化，在電路中增加了串聯(lián)電阻用于減少S2開關閉合時產生的初始電流。另外，由于提升機需要滿足四象限的運行模式，PWM整流器的直流側與網側的能量傳輸需要具備可逆性。

對于常規(guī)的異步電動機來說，直接轉矩控制是利用調整定子磁鏈來實現，對于雙饋電機來說，其運行模式會有差別，因此需要重新建立數學模型。

2 控制系統(tǒng)數學模型建立

雙饋電機的物理模型如圖2所示：

圖2 雙饋電機的物理模型

根據雙饋電機的物理模型可知，雙饋電機的電磁轉矩可表示為：

按照礦井提升機結構，可得提升機負載轉矩如下式：

式中：TL為提升機負載轉矩，N·m；J為提升機飛輪的轉動慣量，kg·m2；np為反饋電機極對數。

通過上述2個公式，可得到提升機負載轉矩TL與雙饋電機轉子電流的ia、ib、ic關系式。利用三相交流電源空間矢量概念，可將轉子需求的三相交流電源的ia、ib、ic進行轉換；

式中：id為網側電流的有功分量，A；iq為網側電流的無功分量，A。

根據上述數學模型，id、iq是雙饋電機電流變化的預期值。由于電網電源的參數是固定的，電流的具體數值可通過改變調制電壓Ud、Uq確定。

對于脈寬調制變換器，期望功率因數通常為1，因此網側電流無攻分量iq=0。綜上所述，可構建出電壓Ud對應的提升機轉矩Te的數學模型。

3 仿真分析

根據煤礦安全生產規(guī)程，提升機構在礦井內作業(yè)，其加速度和速度都有著嚴格的要求，其中未來提升機能夠準確停車，提升機的提升速度在停車前不得超過0.3 m/s，靜差率不大于0.1%。

為了驗證設計的提升機構電控系統(tǒng)能否滿足要求，利用Matlab對其進行仿真分析。其中，模擬選擇雙饋電機的功率為620 kW，電壓為380 V，極對數np為2，額定轉速為1 450 r/min，定轉子互感為70 mH，提升機飛輪的轉動慣量為35 kg·m2。

仿真的速度變化模型如圖3所示，用于模擬提升機負載工作的一個循環(huán)周期。運行時間為150 s，30 s內從提升速度提高至1 200 r/min，70 s勻速運行后，30 s內將至規(guī)定爬行速度后保持20 s后停止。

圖3 提升機速度仿真波形

圖4 為提升機負載轉矩為500 N·m，即輕載時雙饋電機的力矩仿真圖。

圖4 輕載下雙饋電機力矩仿真圖

從圖4中可以看出：

1）雙饋電機控制系統(tǒng)在30 s加速過程中，電機力矩為1 500 N·m，與上述數學模型計算相符。

2）雙饋電機在減速過程中，由于負載較低，電機必須輸出反向制動轉矩，因此從仿真圖上可以看出，電機力矩為-500 N·m，這證明了控制系統(tǒng)能夠滿足電機的四象限運行模式。

3）在仿真過程中，各運行階段開始均有不同程度的力矩偏差波動，最大為60 N·m，但波動在1 s內趨于穩(wěn)定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機轉速相對平穩(wěn)。

圖5 為提升機負載轉矩3 000 N·m，即重載時雙饋電機的力矩仿真圖。

圖5 重載下雙饋電機力矩仿真圖

從圖5中可以看出：

1）雙饋電機控制系統(tǒng)在30 s加速過程中，電機力矩為3 000 N·m，與上述數學模型計算相符。

2）雙饋電機在減速過程中，由于負載較高，電機輸出的制動轉矩為正值，從仿真圖上可以看出，電機力矩為2 000 N·m。

3）在仿真過程中，各運行階段開始均有不同程度的力矩偏差波動，最大為60 N·m，但波動在1 s內趨于穩(wěn)定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機轉速相對平穩(wěn)。

綜合上述仿真結果，可以看出無論是重載還是輕載的狀態(tài)下，新的雙饋電機直接轉矩控制系統(tǒng)均能有效保證電機按照要求進行升速、降速。滿足了礦井內提升機所要求的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結論

以礦井提升機構為研究對象，針對傳統(tǒng)提升機電控系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，設計了一套新的基于直接轉矩控制的雙饋電機調速系統(tǒng)，通過模擬仿真，得出如下結論：

1）雙饋電機控制系統(tǒng)是利用PWM脈寬調制變換器，將電網電壓轉變雙饋電機的三相電流，以調節(jié)提升機構運行過程中的速度。該系統(tǒng)具有結構簡單，占用空間小等優(yōu)點。

2）通過仿真分析發(fā)現，雙饋電機直接轉矩控制系統(tǒng)在提升機構運行模式轉變時，存在力矩波動的現象，但波動幅值相對較小，僅為電機轉矩的3%，具有較好的穩(wěn)定性。

3）通過仿真分析發(fā)現，雙饋電機直接轉矩控制系統(tǒng)在提升機構運行模式轉變時，能夠迅速進行反應，靜差率不大于1%。且在輕載狀態(tài)下，減速時提供反向制動力矩，說明新控制系統(tǒng)具有好的可靠性。