煤礦提升機交流拖動系統簡介

（淮南礦業集團生產部，安徽 淮南 232000）

摘要：大容量（≥3000kW）礦井提升機系統中傳動方式多采用交流傳動。高性能交流傳動方案主要有兩種：交-交變頻傳動和交-直-交變頻傳動。作為一種新型的高性能傳動方式，交直交變頻傳動以其優越的調速性能、諧波污染小以及功率因數高等優點，在國內礦山提升系統中得到廣泛使用。

關鍵詞：煤礦提升機；交流拖動；電網諧波；交直交直接轉矩控制系統；交交矢量控制

中圖分類號：TD531 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）09-0151-02

直接轉矩控制（DTC）技術是1985年德國魯爾大學教授提出，1998年有瑞士ABB公司將直接轉矩技術應用于變頻器ACS1000上的交流調速傳動的控制技術。它通過檢測電機定子電壓和電流，計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與參考值比較所得的差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。從根本上解決了交交矢量控制（CYCLO）中的計算、控制復雜的問題。目前該技術已成功地應用于礦山、冶金、船舶等工業領域。

一、交直交直接轉矩與交交矢量控制原理比較

矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將交流電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過三相/二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換（d、q坐標），等效成同步旋轉坐標系下的直流電IΦ1、IΦ2（IΦ1相當于直流電動機的勵磁電流，IΦ2相當于與轉矩成正比的電樞電流）,然后模仿對直流電動機的控制方法，實現對交流電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量解耦進行獨立控制。

直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中通過檢測直流電壓和相電流，計算電機磁通和轉矩的實際值，然后，經磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行最佳控制，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度。

二、系統組成結構比較

交直交直接轉矩控制系統（DTC）與交交矢量控制（CYCLO）比較，交直交直接轉矩控制（DTC）結構簡單。

1．功率元件IGCT相模塊采用無熔斷器保護結構。即便系統發生短路故障時，由于主回路斷路器在60ms內能夠分斷電源，故功率元件模塊無需使用熔斷器保護。

2．無需功率補償濾波器。ARU整流側控制原理基于直流電壓調節和功率因數調節，系統功率因數達1，動態可調，所以供電電網中無需設立功率補償

裝置。

3．變壓器數目減少。交交變頻單繞組電機主回路需要三臺定子變壓器，同等性能的交直交變頻電機只需要一臺定子變壓器即可。

4．變壓器容量大大減少，對同等電機功率，DTC變壓器的容量通常是交交變頻變壓器的50%。低速時，電動機的輸出功率因轉速低而輸出功率小，由于ARU直流側電壓高達4900V，而使得整流器的輸出電流也小，所以變壓器的輸出電流就小，整流變壓器發熱量就小，這就使得交直交回路變壓器的容量選型可以比交交的小的緣故。

三、對電網質量要求的比較

由于交直交直接轉矩控制（DTC）在整個提升循環中，定子變壓器線電壓和線電流控制在相同相位，對電網而言，屬于線性負荷，功率因數恒為1，因此，對電網沒有無功功率要求，所需電網功率就是實際有功功率。由于交直交直接轉矩控制（DTC）系統不從電網消耗無功功率，因此，對電網造成的壓降也非常小。而交交變頻提升機在啟動階段，無功功率為最大，需裝設無功補償及諧波吸收裝置。

四、電網諧波的比較

交交矢量控制（CYCLO）系統的最大致命弱點是對電網產生諧波，這些諧波不僅包括特征頻率，而且含有隨速度變化的邊頻以及運行時由于觸發脈沖不對稱、無環流死時等因素影響而引入的旁頻。這大大增加了諧波治理的難度。

而對交直交直接轉矩控制（DTC）系統，不僅不產生電網諧波，而且吸收過濾電網上的諧波。6脈動ARU整流器能夠消除25次及以下諧波，12脈動ARU整流器能夠消除55次及以下諧波，18脈動ARU整流器能夠消除85次及以下諧波。

因此，交直交直接轉矩控制（DTC）系統還適用于電網質量比較差的場合，如有諧波、壓降大等。

五、動靜態性能比較

交直交直接轉矩控制（DTC）每25μs采樣一次實際數據，估算電機模型，計算控制力矩，直接切換功率元件IGCT，控制響應時間為1～2ms左右，而PWM矢量控制（CYCLO）的力矩階躍一般在10～20ms。因此，交交矢量控制（CYCLO）的礦井提升機，大多會產生力矩汶波，導致共振頻率。采用Optimized switching angles PWM技術控制IGCT導通、關斷的交直交直接轉矩控制（DTC）系統則能消除力矩汶波，避免機械共振。

在低速時，DTC使用了專利方案，包括：

1．力矩汶波控制。專用軟件通過調整力矩汶波頻段，使力矩汶波最小化。

2．力矩前饋控制。控制系統根據負載變化動態預測力矩，以獲得更平滑的控制。

3．高性能的速度位置控制。當速度設定為零速時，電機將保持絕對零速，由于編碼器測量的位置也保持不變，以保證準確停車精度。

4．低的定子電流下降率。一般情況下，速度很低時，系統將降容使用。但DTC傳動在低速甚至零速時，可短時輸出100%額定電流，連續輸出70%的額定電流。這是軟件通過特殊的切換技術來平衡定子相間電流來實現的。

六、技術前景

新技術及新器件的發展趨勢，要求交流傳動系統具有主動前端（AFE）技術, 以減少對電網的影響，幾乎所有的國內外傳動公司，都已投資研發帶主動前端技術（Active Front End）的傳動系統，如ABB， Siemens。這樣，Cyclo-交交變頻傳動系統將退出新系統的市場，技術及產品支持將會越來越少，從而大大增加提升機系統的維護費用。

交直交直接轉矩控制（DTC）系統使用集成門極可換向晶閘管IGCT，采用無熔斷器結構的相模塊，結構簡單。逆變側，使用直接轉矩控制（DTC）技術，動靜態控制性能高，能消除力矩汶波和機械共振。整流側，使用優化觸發脈沖控制模式，不產生諧波，功率因數為1，無需功率補償和諧波治理。同時，進線側設有IFU（INPUT FILTER UNIT）進線濾波單元能吸收過濾電網諧波，適用于電網質量較差的場合。

參考文獻

[1]李崇堅．交流同步電機調速系統[M]． 科學出版社，2007.

[2]李玉瑾．多繩摩擦提升系統動力學研究與工程設計[M]． 煤炭工業出版社，2008.

[3]ABB培訓大學．ACS6000基本操作與維護[M]．

作者簡介：王守軍（1979-），男，安徽淮南人，淮南礦業集團生產部工程師。

（責任編輯：文森）