礦用提升機(jī)雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)

王雙虎

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

0 引言

礦井提升機(jī)是礦井開采運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。在開采過程中，井下人員，礦物運(yùn)輸頻繁。提升機(jī)一旦出現(xiàn)故障，會嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)。因此，為了提高礦山開采的生產(chǎn)效率，應(yīng)保證礦井提升機(jī)的安全性和可靠性[1-3]。

其中，礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的綜合性能是決定其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。目前，國內(nèi)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)主要以異步電動機(jī)串電阻調(diào)速和晶閘管直流調(diào)速為主，這2種調(diào)速系統(tǒng)缺點(diǎn)包括電動機(jī)運(yùn)行效率相對低下，維護(hù)工作難度高等。尤其是提升機(jī)構(gòu)在亞同步區(qū)間運(yùn)行時，異步電動機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)還需要額外增加設(shè)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(jī)構(gòu)設(shè)計了一套雙饋電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[4-6]。

1 雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦井提升機(jī)雙饋電機(jī)調(diào)速的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，由雙饋電動機(jī)，位置傳感器，提升機(jī)滾筒，雙PWM脈寬調(diào)制變換器組成。其中PWM脈寬調(diào)質(zhì)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(wǎng)恒定電壓，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡p饋電機(jī)轉(zhuǎn)子外接電源。該電源的頻率、幅值、相位均可調(diào)整，以滿足雙饋電機(jī)對調(diào)升機(jī)構(gòu)的調(diào)速要求。

圖1 交流雙饋提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

從圖中可以看出，提升機(jī)提升速度由控制器2提供，圖中w*是雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速與提升機(jī)提升速度轉(zhuǎn)換的變量，利用電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電壓Ua、Ub、Uc的對應(yīng)值，通過PWM逆變器，轉(zhuǎn)換成一個恒定的電壓值Ud。雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)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(jù)逆變器需要的電壓值Ud,給PWM整流器一個預(yù)期的Ud*電壓，PWM整流器的作用就是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成Ud*。為了保證整流器能夠快速響應(yīng)電壓的變化，在電路中增加了串聯(lián)電阻用于減少S2開關(guān)閉合時產(chǎn)生的初始電流。另外，由于提升機(jī)需要滿足四象限的運(yùn)行模式，PWM整流器的直流側(cè)與網(wǎng)側(cè)的能量傳輸需要具備可逆性。

對于常規(guī)的異步電動機(jī)來說，直接轉(zhuǎn)矩控制是利用調(diào)整定子磁鏈來實現(xiàn)，對于雙饋電機(jī)來說，其運(yùn)行模式會有差別，因此需要重新建立數(shù)學(xué)模型。

2 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

雙饋電機(jī)的物理模型如圖2所示：

圖2 雙饋電機(jī)的物理模型

根據(jù)雙饋電機(jī)的物理模型可知，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

按照礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)，可得提升機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩如下式：

式中：TL為提升機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；J為提升機(jī)飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；np為反饋電機(jī)極對數(shù)。

通過上述2個公式，可得到提升機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的ia、ib、ic關(guān)系式。利用三相交流電源空間矢量概念，可將轉(zhuǎn)子需求的三相交流電源的ia、ib、ic進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

式中：id為網(wǎng)側(cè)電流的有功分量，A；iq為網(wǎng)側(cè)電流的無功分量，A。

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，id、iq是雙饋電機(jī)電流變化的預(yù)期值。由于電網(wǎng)電源的參數(shù)是固定的，電流的具體數(shù)值可通過改變調(diào)制電壓Ud、Uq確定。

對于脈寬調(diào)制變換器，期望功率因數(shù)通常為1，因此網(wǎng)側(cè)電流無攻分量iq=0。綜上所述，可構(gòu)建出電壓Ud對應(yīng)的提升機(jī)轉(zhuǎn)矩Te的數(shù)學(xué)模型。

3 仿真分析

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程，提升機(jī)構(gòu)在礦井內(nèi)作業(yè)，其加速度和速度都有著嚴(yán)格的要求，其中未來提升機(jī)能夠準(zhǔn)確停車，提升機(jī)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(shè)計的提升機(jī)構(gòu)電控系統(tǒng)能否滿足要求，利用Matlab對其進(jìn)行仿真分析。其中，模擬選擇雙饋電機(jī)的功率為620 kW，電壓為380 V，極對數(shù)np為2，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，定轉(zhuǎn)子互感為70 mH，提升機(jī)飛輪的轉(zhuǎn)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(jī)負(fù)載工作的一個循環(huán)周期。運(yùn)行時間為150 s，30 s內(nèi)從提升速度提高至1 200 r/min，70 s勻速運(yùn)行后，30 s內(nèi)將至規(guī)定爬行速度后保持20 s后停止。

圖3 提升機(jī)速度仿真波形

圖4 為提升機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為500 N·m，即輕載時雙饋電機(jī)的力矩仿真圖。

圖4 輕載下雙饋電機(jī)力矩仿真圖

從圖4中可以看出：

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

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

3）在仿真過程中，各運(yùn)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(nèi)趨于穩(wěn)定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機(jī)轉(zhuǎn)速相對平穩(wěn)。

圖5 為提升機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩3 000 N·m，即重載時雙饋電機(jī)的力矩仿真圖。

圖5 重載下雙饋電機(jī)力矩仿真圖

從圖5中可以看出：

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

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

3）在仿真過程中，各運(yùn)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(nèi)趨于穩(wěn)定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機(jī)轉(zhuǎn)速相對平穩(wěn)。

綜合上述仿真結(jié)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)均能有效保證電機(jī)按照要求進(jìn)行升速、降速。滿足了礦井內(nèi)提升機(jī)所要求的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

以礦井提升機(jī)構(gòu)為研究對象，針對傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，設(shè)計了一套新的基于直接轉(zhuǎn)矩控制的雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，通過模擬仿真，得出如下結(jié)論：

1）雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)是利用PWM脈寬調(diào)制變換器，將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變雙饋電機(jī)的三相電流，以調(diào)節(jié)提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的速度。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。

2）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變時，存在力矩波動的現(xiàn)象，但波動幅值相對較小，僅為電機(jī)轉(zhuǎn)矩的3%，具有較好的穩(wěn)定性。

3）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變時，能夠迅速進(jìn)行反應(yīng)，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。