SPWM在煤礦中應用的現狀

賈傳圣　沈春良

摘要：電子技術在煤炭工業中的應用很廣，尤其是電機的調速。傳統的交流調壓技術主要是基于晶閘管調壓和交流斬波調壓的，二者突出的優點是結構簡單、成本低廉。文章主要是基于SPWM電機調速在煤礦中的應用的簡單研究，提高我們對SPWM技術發展的關注。

關鍵詞：SPWM；煤礦；變頻調速裝置；異步電動機

中圖分類號：F270 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0105-02

1 概述

隨著科學技術的飛速發展，由于變頻調速裝置具有優異的節電效果和方便的電機調速性能，被廣泛地應用于現代化煤礦的采煤機、皮帶機、風機等需要頻繁啟動的大功率電機上。SPWM技術得到越來越多的關注，應用的范圍越來越廣。

2 異步電動機的SPWM調速原理

SPWM波形的形成方法也叫三角波調制法，它采用正弦波調制信號和三角載波信號通過比較器進行比較。正弦調制波與三角形載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的。SPWM法是一種比較成熟，且目前使用較廣泛的方法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。但是，由相電壓合成為線電壓時，所得到的線電壓脈沖系列卻是單極性的。電路有兩種控制方法：相位控制和通斷控制。相控方式具有改變輸出電壓值的作用，但不能變頻，和它對應的還有三相調壓電路，也采用相位控制方式，早期常用于電動機降壓啟動中，但在電源中產生大量諧波，因此可能會影響其他電器設備的正常使用，通斷控制不是在每個交流電源周期都對輸出電壓波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個周波，再斷開幾個周波，接通了m個周期，斷開了n個周期，從而改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率，這種控制方式缺點在于電流中雖然不含整數倍頻率的諧波，但含有非整數倍頻率的諧波，而且在電源頻率附近，非整數倍頻率的諧波含量較大。

所謂SPWM，就是在PWM的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過適當的濾波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流-交流（DC-AC）逆變器等，比如高級一些的UPS就是一個例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領域被廣泛的采用。近幾年來，由于場控自關斷器件的不斷涌現，相應的高頻SPWM技術在電機調速中得到了廣泛應用。SA8281是MITEL公司推出的一種用于三相SPWM波發生和控制的集成電路，它與微處理器接口方便，內置波形ROM及相應的控制邏輯，設置完成后可以獨立產生三相PWM波形，只有當輸出頻率或幅值等需要改變時才需微處理器的干預，微處理器只用很少的時間控制它，因而有能力進行整個系統的檢測、保護和控制等。基于SA8281和89C52的變頻器具有電路簡單、功能齊全、性能價格比高、可靠性好等優點，但在整個周期內處于交替互補導通狀態，輸出波形在任何T/2內均會出現正負交替的情況。根據調制脈沖極性又可分為單極性型和雙極性型。

3 煤礦中的調速

變頻器是精密的電子設備，其內部的電子器件的性能與溫度密切相關。為了保證器件正常運行，必須規定最高允許溫度。溫度過高，器件特性與參數將會發生變化，甚至導致器件產生永久性的燒壞現象，并且井下環境惡劣、散熱條件差，因此散熱問題是井下變頻器遇到的最大難題。本論文要從變頻器的結構及基本工作原理出發：

（1）提升機提升和下降的行程控制分為兩個過程：一個為正向提升行程，另一個為反向下降行程。行程控制主要將提升機的升降過程劃分成不同的行程區間，根據每一行程區間的實際情況，可以用不同的變頻調速控制提升機的升降速度。行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程中的變頻調速，而且控制提升機的停車和制動過程。行程控制可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發生，特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

（2）煤礦提升機的運行特點是在特定的環境條件下，以設定的速度做往復運動，完成人員和物料的升降運輸任務“為確保提升機能夠安全、高效、可靠地連續作業，整個裝備應具備良好的機械操控性能，優良的電氣控制設備和可靠的安全保護裝置”。鑒于提升機在煤礦安全生產中所處的重要地位，要求其電力傳動系統具備運行可靠、節能高效、靈活操控和準確定位的性能特征，以滿足煤礦安全生產的需要。

（3）采用變頻技術不僅縮小了驅動裝置的布置空間，而且可以實現軟啟動。在帶式輸送機中裝入皮帶秤動態稱重反饋控制，還可以實現帶式輸送機隨物料多少進行的變速運輸、重載加速、輕載減速、空載時停機。這樣不僅提高了運輸效率而且還節省了寶貴的電能資源，且使帶式輸送機橫向尺寸大大減小，結構緊湊、輕巧，方便與現場設備配置，適用于機頭位置狹小的場合，因而不需要許多齒輪降速，也節省了許多成本。

（4）用變頻調速裝置配合鼠籠電機驅動粘彈塑性體的帶式輸送機，延遲特性嚴重，并且隨輸送距離、輸送量的增大變得更為明顯。帶式輸送機的旋轉部件（托輥、滾筒）較多，由于加工、安裝、維修等的差別以及輸送量的隨機變化，都會產生大量的隨機干擾。因此，帶式輸送機的帶速與變頻器的輸入頻率之間的關系就具有很大的模

糊性。

4 結語

交流調壓電源在當今的國民生活生產中發揮著至關重要的作用，比如：電動機軟啟動、風機和水泵的速度控制等領域。隨著工業的發展，人們要求交流調壓電源必須安全可靠、節能環保等特點，與此同時電力電子技術和微控制器的發展為設備小型化、輕量化提供了可靠的保證。以傳統的SPWM逆變器為基礎，全面探討新型的逆變調壓電路，并在煤礦中得到應用。通過改進算法實現新型的交流調壓電源，系統輸出電壓可調范圍寬，安全穩定。

參考文獻

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[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業

出版社，2009.

[3]劉風君.環保節能型H橋及SPWM直流電源式逆變器

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（責任編輯：文 森）