電機(jī)牽引交流變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

區(qū)炳顯

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院，江蘇 無錫214174；2.國家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 無錫214174）

0 引言

大功率綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展和高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的需要，使得采煤機(jī)電牽引迅速發(fā)展。目前國內(nèi)外采煤機(jī)電牽引系統(tǒng)按調(diào)速方式可以分為4種：直流電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)變頻調(diào)速、電磁調(diào)速和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速［1］。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)熱不易散發(fā)，摩擦的碳粉難以排出，造成壽命短、可靠性低、維修困難；而開關(guān)磁阻電機(jī)由于需要在轉(zhuǎn)子上安裝位置檢測器，從而降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性［2］；電磁調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)效率低下，尤其是在低速范圍。在矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之前，交流調(diào)速系統(tǒng)多采用V/F 比值恒定控制方法，又稱為標(biāo)量控制，采用這種方法在低速及動(dòng)態(tài)，如加減速、加減負(fù)載等情況時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的缺陷［3］。矢量控制不僅可以消除標(biāo)量控制的缺陷，而且大大提高了系統(tǒng)的控制性能。改善異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，將矢量控制技術(shù)運(yùn)用到電力傳動(dòng)領(lǐng)域，用于解決傳統(tǒng)采煤機(jī)調(diào)速問題，具有重要的意義［4］。

1 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由于轉(zhuǎn)速的變化存在機(jī)械慣性等因素，加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，使得異步電動(dòng)機(jī)成為高階、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動(dòng)機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時(shí)，常做如下假設(shè)：（1）忽略空間諧波；（2）忽略磁路飽和；（3）忽略鐵芯損耗；（4）不考慮溫度和頻率的變化［5］。

在以上假設(shè)前提下，首先列出系統(tǒng)在A—B—C 坐標(biāo)下的方程，然后通過坐標(biāo)變換，將其轉(zhuǎn)換為M—T 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。在M—T 坐標(biāo)系，將坐標(biāo)軸M、T 以同步轉(zhuǎn)速ω1進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并且M 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀?的方向，T 軸垂直于矢量ψ2，即ψ2＝ψm2、ψt2＝0。因轉(zhuǎn)子繞組短路，故um2＝ut2＝0，這樣異步電動(dòng)機(jī)在M—T 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程：

磁鏈方程：

轉(zhuǎn)矩方程：

轉(zhuǎn)差頻率ωs與轉(zhuǎn)矩間關(guān)系為：

式中，um1、ut1為定子在M—T軸上的電壓分量；R1、R2為定子和轉(zhuǎn)子等效電阻；p為微分算子；im1、it1、im2、it2為定子和轉(zhuǎn)子電流在M—T 軸上的電流分量；pm為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

2 控制系統(tǒng)仿真分析

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件由上位機(jī)的監(jiān)控顯示程序和下位機(jī)的控制程序兩部分構(gòu)成。其中上位機(jī)的功用是設(shè)定電機(jī)參數(shù)，也為電流、電壓波形的實(shí)時(shí)顯示做準(zhǔn)備。下位機(jī)的功用是電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、矢量變換、SVPWM 輸出以及串行通信、轉(zhuǎn)速顯示和故障輸出等。

2.2 基于SVPWM 的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

基于電壓空間矢量技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖1所示，其中整流側(cè)采用電壓定向的SVPWM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)主電路圖

系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：異步電動(dòng)機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)速分別為22kW 和1 750r/min，額定電壓和頻率為380V 和50 Hz。電機(jī)具體參數(shù)如下：Rs＝0.525 7Ω，Rr＝0.301 7Ω，Ls＝4.9mH，Lr＝4.9mH，Lm＝116.6mH。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝0.102kg/m2。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值為120r/s，并且在0.5s突加70N/m 負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖2～4 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速在0.5s后從100r/s調(diào)節(jié)到120r/s，并且轉(zhuǎn)矩給定為70N/m 時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖5～7所示。在電動(dòng)機(jī)0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖8～10所示。

圖2 突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

圖3 突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形

圖4 突加負(fù)載時(shí)的三相定子電流波形

圖5 轉(zhuǎn)速在0.5s后的升速波形

圖6 轉(zhuǎn)速在0.5s后的轉(zhuǎn)矩波形

圖7 轉(zhuǎn)速在0.5s后的三相定子電流波形

圖8 在0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)速波形

圖9 在0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩波形

圖10 在0.5s時(shí)制動(dòng)的三相定子電流波形

3 結(jié)語

由以上仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)在啟動(dòng)電機(jī)、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及突加負(fù)載和停機(jī)時(shí)都可以獲得很好的動(dòng)態(tài)性能，調(diào)速系統(tǒng)能夠很好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。但是針對(duì)PI調(diào)節(jié)比例和積分兩個(gè)參數(shù)仍然需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行工程調(diào)試，只有在理想的PI調(diào)節(jié)參數(shù)作用下才能達(dá)到預(yù)期效果。

［1］Wang W H，Zhang D K，Cheng G，et al.The Dynamic Fault Tree Analysis of Not－Cutting Failure for MG550/1220Electrical Haulage Shearer［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，130－134：646－649.

［2］Vafakhah B，Salmon J，Knight A M.A New Space－Vector PWM with Optimal Switching Selection for Multilevel Coupled Inductor Inverters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（7）：2354－2364.

［3］Vijaya Bhaskar Reddy K，Siva Krishna Rao G V，Surendra T S.Digital Simulation of Space Vector Modulation Based Induction Motor Drive［J］.Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2011，3（4）：330－337.

［4］Lv H L，Wang J L，Deng F.FacVector：An Enhanced User Vector Space Model in Recommender System［J］.Journal of Convergence Information Technology，2012，7（9）：92－100.

［5］Chen G Q，Wu Z H，Zhu Y，et al.Realization of Random Space Vector Pulse Width Modulation Based on Infineon Tricore TC1767/TC1797［J］.International Journal of Digital Content Technology and its Applications，2012，6（20）：624－632.