礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

李驍洋

【摘要】 為了保證礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，本文首先對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，然后對(duì)電機(jī)礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)繞組橋式驅(qū)動(dòng)技術(shù)和軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行研究，最后分別設(shè)計(jì)橋式驅(qū)動(dòng)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電路的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 電機(jī) 轉(zhuǎn)子 位置檢測(cè)

隨著科技的高速發(fā)展及礦井科技含量的增加，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)整體好轉(zhuǎn)，事故總量和百萬噸死亡率持續(xù)下降，但制約安全生產(chǎn)的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環(huán)境變得更加復(fù)雜，電氣設(shè)備的數(shù)量也不斷增加，煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。井下電氣設(shè)備種類眾多，如輸配電設(shè)備、安全生產(chǎn)設(shè)備、排水救援設(shè)備和提升運(yùn)輸設(shè)備，其中提升運(yùn)輸設(shè)備是井下運(yùn)輸輸配電設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產(chǎn)的屏障和支撐。井下提升運(yùn)輸?shù)倪^程實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成被運(yùn)輸物的重力做功過程，電機(jī)的可靠動(dòng)作需要處理器發(fā)送信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的功率管合理導(dǎo)通，電機(jī)繞組按照固定順序通電產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，所以開展針對(duì)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于提高井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性及保障安全生產(chǎn)工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)模型

三相異步電機(jī)是煤礦井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)主要的動(dòng)力來源，在對(duì)理想的煤礦三相異步電機(jī)作如下假設(shè)：① 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均為對(duì)稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應(yīng)和換相過程等的影響；③ 異步電機(jī)的電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。

電機(jī)電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉(zhuǎn)矩，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和，ω是機(jī)械角速度。

二、橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

橋式驅(qū)動(dòng)電路采用六個(gè)IGBT管兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成三個(gè)并聯(lián)支路，整流電路輸出端與三個(gè)支路并聯(lián)，三個(gè)支路的中點(diǎn)與電機(jī)的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導(dǎo)通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槊旱V異步電機(jī)繞組換相時(shí)間短，電流大，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路不僅需要承受瞬時(shí)大電流，還必須具有保護(hù)功能，能夠檢測(cè)系統(tǒng)過流、短路等故障，并發(fā)送故障信號(hào)，同時(shí)能夠在故障發(fā)生時(shí)快速切斷電機(jī)繞組電源，封鎖橋式驅(qū)動(dòng)電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機(jī)采用三相六拍制兩兩導(dǎo)通的控制方式，電機(jī)旋轉(zhuǎn)3600的過程中需要經(jīng)歷六次換相，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要非同一橋臂的上、下兩個(gè)功率管導(dǎo)通，即導(dǎo)通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導(dǎo)通時(shí)序圖。假如同一橋臂的功率管導(dǎo)通時(shí)間稍有交迭，相當(dāng)于將整流電路的輸出端直接短路，將會(huì)造成整流電路及相關(guān)電路的燒毀，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)絕對(duì)不允許同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通。為了避免同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通，在上下兩個(gè)開關(guān)管切換的瞬間加一小段時(shí)間的延時(shí)（死區(qū)時(shí)間），保證一只功率管導(dǎo)通時(shí)，與它同一橋臂的功率管處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖2 功率管的導(dǎo)通順序

三、 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文采用單功率管專用驅(qū)動(dòng)芯片K841L為核心設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，K841L輸入信號(hào)幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據(jù)需要調(diào)節(jié)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間；可以使用單一電源，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有負(fù)壓分配器，減少了外圍電路設(shè)計(jì)和元器件；關(guān)斷時(shí)輸出為負(fù)電平，抗干擾能力強(qiáng)；當(dāng)6 腳對(duì) 1 腳（即 IGBT 的發(fā)射極） 的電位升高到 到閾值時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復(fù)管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結(jié)論

本文在闡述煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開展礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，分別設(shè)計(jì)了橋式驅(qū)動(dòng)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電機(jī)的軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行分析，本文的研究成果為礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產(chǎn)設(shè)備的可靠性分析，煤礦機(jī)械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運(yùn)輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)[D].安徽理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006.

【摘要】 為了保證礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，本文首先對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，然后對(duì)電機(jī)礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)繞組橋式驅(qū)動(dòng)技術(shù)和軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行研究，最后分別設(shè)計(jì)橋式驅(qū)動(dòng)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電路的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 電機(jī) 轉(zhuǎn)子 位置檢測(cè)

隨著科技的高速發(fā)展及礦井科技含量的增加，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)整體好轉(zhuǎn)，事故總量和百萬噸死亡率持續(xù)下降，但制約安全生產(chǎn)的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環(huán)境變得更加復(fù)雜，電氣設(shè)備的數(shù)量也不斷增加，煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。井下電氣設(shè)備種類眾多，如輸配電設(shè)備、安全生產(chǎn)設(shè)備、排水救援設(shè)備和提升運(yùn)輸設(shè)備，其中提升運(yùn)輸設(shè)備是井下運(yùn)輸輸配電設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產(chǎn)的屏障和支撐。井下提升運(yùn)輸?shù)倪^程實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成被運(yùn)輸物的重力做功過程，電機(jī)的可靠動(dòng)作需要處理器發(fā)送信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的功率管合理導(dǎo)通，電機(jī)繞組按照固定順序通電產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，所以開展針對(duì)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于提高井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性及保障安全生產(chǎn)工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)模型

三相異步電機(jī)是煤礦井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)主要的動(dòng)力來源，在對(duì)理想的煤礦三相異步電機(jī)作如下假設(shè)：① 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均為對(duì)稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應(yīng)和換相過程等的影響；③ 異步電機(jī)的電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。

電機(jī)電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉(zhuǎn)矩，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和，ω是機(jī)械角速度。

二、橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

橋式驅(qū)動(dòng)電路采用六個(gè)IGBT管兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成三個(gè)并聯(lián)支路，整流電路輸出端與三個(gè)支路并聯(lián)，三個(gè)支路的中點(diǎn)與電機(jī)的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導(dǎo)通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槊旱V異步電機(jī)繞組換相時(shí)間短，電流大，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路不僅需要承受瞬時(shí)大電流，還必須具有保護(hù)功能，能夠檢測(cè)系統(tǒng)過流、短路等故障，并發(fā)送故障信號(hào)，同時(shí)能夠在故障發(fā)生時(shí)快速切斷電機(jī)繞組電源，封鎖橋式驅(qū)動(dòng)電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機(jī)采用三相六拍制兩兩導(dǎo)通的控制方式，電機(jī)旋轉(zhuǎn)3600的過程中需要經(jīng)歷六次換相，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要非同一橋臂的上、下兩個(gè)功率管導(dǎo)通，即導(dǎo)通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導(dǎo)通時(shí)序圖。假如同一橋臂的功率管導(dǎo)通時(shí)間稍有交迭，相當(dāng)于將整流電路的輸出端直接短路，將會(huì)造成整流電路及相關(guān)電路的燒毀，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)絕對(duì)不允許同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通。為了避免同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通，在上下兩個(gè)開關(guān)管切換的瞬間加一小段時(shí)間的延時(shí)（死區(qū)時(shí)間），保證一只功率管導(dǎo)通時(shí)，與它同一橋臂的功率管處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖2 功率管的導(dǎo)通順序

三、 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文采用單功率管專用驅(qū)動(dòng)芯片K841L為核心設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，K841L輸入信號(hào)幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據(jù)需要調(diào)節(jié)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間；可以使用單一電源，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有負(fù)壓分配器，減少了外圍電路設(shè)計(jì)和元器件；關(guān)斷時(shí)輸出為負(fù)電平，抗干擾能力強(qiáng)；當(dāng)6 腳對(duì) 1 腳（即 IGBT 的發(fā)射極） 的電位升高到 到閾值時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復(fù)管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結(jié)論

本文在闡述煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開展礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，分別設(shè)計(jì)了橋式驅(qū)動(dòng)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電機(jī)的軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行分析，本文的研究成果為礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產(chǎn)設(shè)備的可靠性分析，煤礦機(jī)械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運(yùn)輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)[D].安徽理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006.

【摘要】 為了保證礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，本文首先對(duì)煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，然后對(duì)電機(jī)礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)繞組橋式驅(qū)動(dòng)技術(shù)和軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行研究，最后分別設(shè)計(jì)橋式驅(qū)動(dòng)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電路的工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 電機(jī) 轉(zhuǎn)子 位置檢測(cè)

隨著科技的高速發(fā)展及礦井科技含量的增加，我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)整體好轉(zhuǎn)，事故總量和百萬噸死亡率持續(xù)下降，但制約安全生產(chǎn)的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環(huán)境變得更加復(fù)雜，電氣設(shè)備的數(shù)量也不斷增加，煤礦井下安全生產(chǎn)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。井下電氣設(shè)備種類眾多，如輸配電設(shè)備、安全生產(chǎn)設(shè)備、排水救援設(shè)備和提升運(yùn)輸設(shè)備，其中提升運(yùn)輸設(shè)備是井下運(yùn)輸輸配電設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產(chǎn)的屏障和支撐。井下提升運(yùn)輸?shù)倪^程實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成被運(yùn)輸物的重力做功過程，電機(jī)的可靠動(dòng)作需要處理器發(fā)送信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的功率管合理導(dǎo)通，電機(jī)繞組按照固定順序通電產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，所以開展針對(duì)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于提高井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)的可靠性及保障安全生產(chǎn)工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)模型

三相異步電機(jī)是煤礦井下提升運(yùn)輸系統(tǒng)主要的動(dòng)力來源，在對(duì)理想的煤礦三相異步電機(jī)作如下假設(shè)：① 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)均為對(duì)稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應(yīng)和換相過程等的影響；③ 異步電機(jī)的電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布。

電機(jī)電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉(zhuǎn)矩，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和，ω是機(jī)械角速度。

二、橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

橋式驅(qū)動(dòng)電路采用六個(gè)IGBT管兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成三個(gè)并聯(lián)支路，整流電路輸出端與三個(gè)支路并聯(lián)，三個(gè)支路的中點(diǎn)與電機(jī)的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導(dǎo)通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩持續(xù)旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槊旱V異步電機(jī)繞組換相時(shí)間短，電流大，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路不僅需要承受瞬時(shí)大電流，還必須具有保護(hù)功能，能夠檢測(cè)系統(tǒng)過流、短路等故障，并發(fā)送故障信號(hào)，同時(shí)能夠在故障發(fā)生時(shí)快速切斷電機(jī)繞組電源，封鎖橋式驅(qū)動(dòng)電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機(jī)采用三相六拍制兩兩導(dǎo)通的控制方式，電機(jī)旋轉(zhuǎn)3600的過程中需要經(jīng)歷六次換相，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要非同一橋臂的上、下兩個(gè)功率管導(dǎo)通，即導(dǎo)通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導(dǎo)通時(shí)序圖。假如同一橋臂的功率管導(dǎo)通時(shí)間稍有交迭，相當(dāng)于將整流電路的輸出端直接短路，將會(huì)造成整流電路及相關(guān)電路的燒毀，所以橋式驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)絕對(duì)不允許同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通。為了避免同一橋臂上下兩個(gè)IGBT管同時(shí)導(dǎo)通，在上下兩個(gè)開關(guān)管切換的瞬間加一小段時(shí)間的延時(shí)（死區(qū)時(shí)間），保證一只功率管導(dǎo)通時(shí)，與它同一橋臂的功率管處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖2 功率管的導(dǎo)通順序

三、 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文采用單功率管專用驅(qū)動(dòng)芯片K841L為核心設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，K841L輸入信號(hào)幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據(jù)需要調(diào)節(jié)盲區(qū)時(shí)間、軟關(guān)斷的速度、故障后再次啟動(dòng)的時(shí)間；可以使用單一電源，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有負(fù)壓分配器，減少了外圍電路設(shè)計(jì)和元器件；關(guān)斷時(shí)輸出為負(fù)電平，抗干擾能力強(qiáng)；當(dāng)6 腳對(duì) 1 腳（即 IGBT 的發(fā)射極） 的電位升高到 到閾值時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的保護(hù)機(jī)制。IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復(fù)管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結(jié)論

本文在闡述煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)和異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開展礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，分別設(shè)計(jì)了橋式驅(qū)動(dòng)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，并對(duì)電機(jī)的軟關(guān)斷技術(shù)進(jìn)行分析，本文的研究成果為礦用提升運(yùn)輸用異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產(chǎn)設(shè)備的可靠性分析，煤礦機(jī)械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運(yùn)輸綜合監(jiān)控系統(tǒng)[D].安徽理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006.