礦井提升機(jī)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李建紅

（西山煤電東曲煤礦， 山西　太原　030200）

引言

結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)，以礦井提升機(jī)的工作特性為切入點(diǎn)，進(jìn)行詳細(xì)分析，建立相應(yīng)的矢量控制數(shù)學(xué)模型，對(duì)矢量控制原理進(jìn)行解讀，優(yōu)化拖動(dòng)調(diào)速方案和調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，為了提高研究的實(shí)用性，進(jìn)行具體案例分析，將理論與實(shí)踐結(jié)合在一起，使其相互印證。案例選擇為660 V等級(jí)的提升機(jī)，對(duì)于提升循環(huán)運(yùn)行情況的仿真使用MATLAB模式。

1　異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁通定向的矢量控制設(shè)計(jì)

1.1　異步電動(dòng)機(jī)交—直—交矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在異步電動(dòng)機(jī)交—直—交矢量控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，整流器部分使用PWM形式的整流器，對(duì)于逆變器INU的接法要根據(jù)實(shí)際情況，使用三相橋模式保證系統(tǒng)的安全可靠。從結(jié)構(gòu)的角度分析，該結(jié)構(gòu)屬于兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；從適用范圍的角度分析，適用于一些容量較小的場(chǎng)合。本文所選取660 V電壓等級(jí)的井下防爆絞車和矸石山絞車就是其主要的應(yīng)用對(duì)象，對(duì)于變頻器的輸出電壓設(shè)置要符合使用要求，將其設(shè)置為660 V，因此，橋臂開(kāi)關(guān)器件設(shè)置過(guò)程中要保持與其他方面設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性，使用1 700 V的IGBT，使用霍爾電流傳感器進(jìn)行變頻器三相輸出電流的檢測(cè)。如果在實(shí)際工作中，主井和副井提升機(jī)容量較大，那么則需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使用三電平的雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。

1.2　異步電動(dòng)機(jī)矢量控制設(shè)計(jì)

關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的矢量圖設(shè)置過(guò)程（如圖2所示），磁鏈軸M的位置要精準(zhǔn)且滿足需求，通常情況下將其設(shè)置在轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的軸線位置之上，用is來(lái)表示定子電流合成的空間矢量，主要包括isa、isb、isc三相定子電流，每相定子電流都具有其各自的特性，要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的分析和設(shè)計(jì)，保證其合理性。其中，對(duì)于三相定子電流的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，要具有統(tǒng)一性，滿足以同步速度ωs旋轉(zhuǎn)，并將d軸設(shè)置為轉(zhuǎn)子軸，旋轉(zhuǎn)速度為ωr。在坐標(biāo)系方面，主要以靜止兩相坐標(biāo)系為主，將其設(shè)置為αβ，在這一環(huán)節(jié)中，α軸要與三相定子繞組的a軸保持重合，還要保證轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子繞組a軸的位置角度數(shù)合理，通常使用d軸與α軸的夾角λ來(lái)表示，而M軸與d軸之間的夾角屬于負(fù)載角，用θ來(lái)表示，這樣就可以得出磁鏈軸M相對(duì)于定子繞組a軸的空間位置角計(jì)算公式為 φs=λ+θ。

圖1　異步電動(dòng)機(jī)交—直—交矢量控制系統(tǒng)主電路圖

圖2　異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的矢量圖

2　矢量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

2.1　定子電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以從定子電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換成單位反饋系統(tǒng)兩方面對(duì)其進(jìn)行分析。其中，ACR的輸出電壓可以用U＊A來(lái)表示，在PWM的作用下，會(huì)進(jìn)行一定的調(diào)制，然后使用逆變器輸出，可以得到定子電壓UA，從U＊A到UA的整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定的處理程序，因此，產(chǎn)生一定的時(shí)滯。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，整個(gè)采樣周期時(shí)間不超過(guò)0.20 ms，影響較小，可以忽略。這樣一來(lái)，就可以將轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)視為放大環(huán)節(jié)，相關(guān)的放大倍數(shù)用KA表示，影響放大倍數(shù)的因素主要是調(diào)制系數(shù)。在電流檢測(cè)過(guò)程中，進(jìn)行高頻分量的消除所采取的方法是濾波法，要保證濾波時(shí)間常數(shù)設(shè)置合理。通常情況下，濾波時(shí)間常數(shù)為開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)周期的2倍，以0.20 ms為開(kāi)關(guān)周期，濾波時(shí)間常數(shù)則為0.40 ms[2]。在異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路中，分析定子電流的影響時(shí)，可以假定轉(zhuǎn)子電勢(shì)為不變量，由此產(chǎn)生的電流模型矢量控制系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3　電流模型矢量控制系統(tǒng)圖

2.2　磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)磁鏈調(diào)節(jié)器過(guò)程中要合理確定積分系數(shù)和比例系數(shù)，分別用τψ、Kψ來(lái)表示，由于勵(lì)磁分量到電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈間的幅值是一個(gè)1階慣性環(huán)節(jié)，且這一過(guò)程屬于大慣性環(huán)節(jié)，所以磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)相同[3]，如圖4所示。

圖4　磁鏈環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

在正向通道中，需要除以通過(guò)電流模型檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，還要乘以通過(guò)電流模型檢測(cè)道德電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，對(duì)于兩者間產(chǎn)生的差值只能作為磁鏈的檢測(cè)慣性和電流反饋系數(shù)，如圖5所示。在這一過(guò)程中，產(chǎn)生的慣性時(shí)間相對(duì)較短，可以進(jìn)行忽略，如果將磁鏈的電流反饋系數(shù)設(shè)置為1，那么就不需要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的影響[4]。

圖5　速度環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)例分析及系統(tǒng)仿真

首先對(duì)提升機(jī)電力拖動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，具體包括以下幾點(diǎn)：其一，位勢(shì)負(fù)載；其二往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)；其三，對(duì)提升機(jī)的加速度、減速度和導(dǎo)數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置[5]。

然后使用MATLAB的相關(guān)工具進(jìn)行矢量控制系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，在速度給定過(guò)程中，依據(jù)提升循環(huán)的理想速度曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)額定負(fù)載和輕載兩種情況進(jìn)行仿真模型建立。此外，還要判斷電壓和電流波形的準(zhǔn)確性。在仿真時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為102 rad/s，先設(shè)置磁鏈，時(shí)間間隔為0.5 s，接下來(lái)進(jìn)行額定負(fù)載下的提升循環(huán)仿真，加速時(shí)間為5 s，等速時(shí)間為0.5 s沒(méi)減速時(shí)間為0.5s，結(jié)果是等速階段的轉(zhuǎn)速為102rad/s，爬行速度為3 rad/s，轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩基本相同，電壓和電流波形正常，證明該設(shè)計(jì)的合理性。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于礦井提升機(jī)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合有關(guān)的理論，保證其參數(shù)的準(zhǔn)確性。本文的案例研究就證明了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。

[1]吳燕翔，張朝君，劉雨青，等.基于礦井提升機(jī)模糊PID矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真[J].煤炭工程，2013，45（8）：124-126.

[2]張貞艷，左瑞.礦井提升機(jī)的無(wú)速度傳感器矢量控制[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2014，27（6）：142-143.

[3]李瑾.礦井提升機(jī)雙饋轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2016，37（1）：35-37.

[4]徐杰，陳磊，王運(yùn)強(qiáng).基于矢量控制的礦井提升機(jī)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，6（3）：94.

[5]曹建全，黃明.混合PS0算法優(yōu)化異步電機(jī)矢量控制參數(shù)在礦井提升機(jī)的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2012，15（4）：206-208.