礦用提升運輸用異步電機驅動技術研究

李驍洋

【摘要】 為了保證礦用提升運輸用異步電機驅動系統的可靠性，本文首先對煤礦井下安全生產形勢和異步電機數學模型進行介紹，然后對電機礦用提升運輸用異步電機繞組橋式驅動技術和軟關斷技術進行研究，最后分別設計橋式驅動電路、IGBT驅動保護電路，并對電路的工作原理進行詳細分析。

【關鍵詞】 煤礦 電機 轉子 位置檢測

隨著科技的高速發展及礦井科技含量的增加，我國煤礦安全生產形勢整體好轉，事故總量和百萬噸死亡率持續下降，但制約安全生產的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環境變得更加復雜，電氣設備的數量也不斷增加，煤礦井下安全生產形勢仍然嚴峻。井下電氣設備種類眾多，如輸配電設備、安全生產設備、排水救援設備和提升運輸設備，其中提升運輸設備是井下運輸輸配電設備、生產設備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產的屏障和支撐。井下提升運輸的過程實質上就是電機將電能轉換成被運輸物的重力做功過程，電機的可靠動作需要處理器發送信號控制驅動電路的功率管合理導通，電機繞組按照固定順序通電產生恒定轉矩，所以開展針對異步電機驅動技術進行研究，對于提高井下提升運輸系統的可靠性及保障安全生產工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運輸用異步電機模型

三相異步電機是煤礦井下提升運輸系統主要的動力來源，在對理想的煤礦三相異步電機作如下假設：① 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場均為對稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應和換相過程等的影響；③ 異步電機的電樞繞組在定子內表面均勻連續分布。

電機電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉矩，TL是負載轉矩，J是電機轉軸上的轉動慣量的總和，ω是機械角速度。

二、橋式驅動電路設計

橋式驅動電路采用六個IGBT管兩兩串聯后并聯組成三個并聯支路，整流電路輸出端與三個支路并聯，三個支路的中點與電機的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅動電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機產生恒定的轉矩持續旋轉。因為煤礦異步電機繞組換相時間短，電流大，所以橋式驅動電路不僅需要承受瞬時大電流，還必須具有保護功能，能夠檢測系統過流、短路等故障，并發送故障信號，同時能夠在故障發生時快速切斷電機繞組電源，封鎖橋式驅動電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機采用三相六拍制兩兩導通的控制方式，電機旋轉3600的過程中需要經歷六次換相，電機運轉時需要非同一橋臂的上、下兩個功率管導通，即導通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導通時序圖。假如同一橋臂的功率管導通時間稍有交迭，相當于將整流電路的輸出端直接短路，將會造成整流電路及相關電路的燒毀，所以橋式驅動電路工作時絕對不允許同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通。為了避免同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通，在上下兩個開關管切換的瞬間加一小段時間的延時（死區時間），保證一只功率管導通時，與它同一橋臂的功率管處于關斷狀態。

圖2 功率管的導通順序

三、 IGBT驅動保護電路設計

本文采用單功率管專用驅動芯片K841L為核心設計IGBT驅動保護電路，K841L輸入信號幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據需要調節盲區時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間；可以使用單一電源，驅動器內部設有負壓分配器，減少了外圍電路設計和元器件；關斷時輸出為負電平，抗干擾能力強；當6 腳對 1 腳（即 IGBT 的發射極） 的電位升高到 到閾值時啟動內部的保護機制。IGBT驅動電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結論

本文在闡述煤礦安全生產形勢和異步電機數學模型的基礎上，開展礦用提升運輸用異步電機驅動技術研究，分別設計了橋式驅動電路和IGBT驅動保護電路，并對電機的軟關斷技術進行分析，本文的研究成果為礦用提升運輸用異步電機控制系統設計奠定基礎。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現代電機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產設備的可靠性分析，煤礦機械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運輸綜合監控系統[D].安徽理工大學碩士畢業論文，2006.

【摘要】 為了保證礦用提升運輸用異步電機驅動系統的可靠性，本文首先對煤礦井下安全生產形勢和異步電機數學模型進行介紹，然后對電機礦用提升運輸用異步電機繞組橋式驅動技術和軟關斷技術進行研究，最后分別設計橋式驅動電路、IGBT驅動保護電路，并對電路的工作原理進行詳細分析。

【關鍵詞】 煤礦 電機 轉子 位置檢測

隨著科技的高速發展及礦井科技含量的增加，我國煤礦安全生產形勢整體好轉，事故總量和百萬噸死亡率持續下降，但制約安全生產的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環境變得更加復雜，電氣設備的數量也不斷增加，煤礦井下安全生產形勢仍然嚴峻。井下電氣設備種類眾多，如輸配電設備、安全生產設備、排水救援設備和提升運輸設備，其中提升運輸設備是井下運輸輸配電設備、生產設備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產的屏障和支撐。井下提升運輸的過程實質上就是電機將電能轉換成被運輸物的重力做功過程，電機的可靠動作需要處理器發送信號控制驅動電路的功率管合理導通，電機繞組按照固定順序通電產生恒定轉矩，所以開展針對異步電機驅動技術進行研究，對于提高井下提升運輸系統的可靠性及保障安全生產工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運輸用異步電機模型

三相異步電機是煤礦井下提升運輸系統主要的動力來源，在對理想的煤礦三相異步電機作如下假設：① 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場均為對稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應和換相過程等的影響；③ 異步電機的電樞繞組在定子內表面均勻連續分布。

電機電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉矩，TL是負載轉矩，J是電機轉軸上的轉動慣量的總和，ω是機械角速度。

二、橋式驅動電路設計

橋式驅動電路采用六個IGBT管兩兩串聯后并聯組成三個并聯支路，整流電路輸出端與三個支路并聯，三個支路的中點與電機的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅動電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機產生恒定的轉矩持續旋轉。因為煤礦異步電機繞組換相時間短，電流大，所以橋式驅動電路不僅需要承受瞬時大電流，還必須具有保護功能，能夠檢測系統過流、短路等故障，并發送故障信號，同時能夠在故障發生時快速切斷電機繞組電源，封鎖橋式驅動電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機采用三相六拍制兩兩導通的控制方式，電機旋轉3600的過程中需要經歷六次換相，電機運轉時需要非同一橋臂的上、下兩個功率管導通，即導通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導通時序圖。假如同一橋臂的功率管導通時間稍有交迭，相當于將整流電路的輸出端直接短路，將會造成整流電路及相關電路的燒毀，所以橋式驅動電路工作時絕對不允許同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通。為了避免同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通，在上下兩個開關管切換的瞬間加一小段時間的延時（死區時間），保證一只功率管導通時，與它同一橋臂的功率管處于關斷狀態。

圖2 功率管的導通順序

三、 IGBT驅動保護電路設計

本文采用單功率管專用驅動芯片K841L為核心設計IGBT驅動保護電路，K841L輸入信號幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據需要調節盲區時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間；可以使用單一電源，驅動器內部設有負壓分配器，減少了外圍電路設計和元器件；關斷時輸出為負電平，抗干擾能力強；當6 腳對 1 腳（即 IGBT 的發射極） 的電位升高到 到閾值時啟動內部的保護機制。IGBT驅動電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結論

本文在闡述煤礦安全生產形勢和異步電機數學模型的基礎上，開展礦用提升運輸用異步電機驅動技術研究，分別設計了橋式驅動電路和IGBT驅動保護電路，并對電機的軟關斷技術進行分析，本文的研究成果為礦用提升運輸用異步電機控制系統設計奠定基礎。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現代電機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產設備的可靠性分析，煤礦機械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運輸綜合監控系統[D].安徽理工大學碩士畢業論文，2006.

【摘要】 為了保證礦用提升運輸用異步電機驅動系統的可靠性，本文首先對煤礦井下安全生產形勢和異步電機數學模型進行介紹，然后對電機礦用提升運輸用異步電機繞組橋式驅動技術和軟關斷技術進行研究，最后分別設計橋式驅動電路、IGBT驅動保護電路，并對電路的工作原理進行詳細分析。

【關鍵詞】 煤礦 電機 轉子 位置檢測

隨著科技的高速發展及礦井科技含量的增加，我國煤礦安全生產形勢整體好轉，事故總量和百萬噸死亡率持續下降，但制約安全生產的事故隱患還沒有徹底排除，尤其是煤礦開采深度的增加，開采環境變得更加復雜，電氣設備的數量也不斷增加，煤礦井下安全生產形勢仍然嚴峻。井下電氣設備種類眾多，如輸配電設備、安全生產設備、排水救援設備和提升運輸設備，其中提升運輸設備是井下運輸輸配電設備、生產設備、煤和人員的唯一通道，是保障井下安全生產的屏障和支撐。井下提升運輸的過程實質上就是電機將電能轉換成被運輸物的重力做功過程，電機的可靠動作需要處理器發送信號控制驅動電路的功率管合理導通，電機繞組按照固定順序通電產生恒定轉矩，所以開展針對異步電機驅動技術進行研究，對于提高井下提升運輸系統的可靠性及保障安全生產工作的順利開展具有十分重要的意義。

一、礦用提升運輸用異步電機模型

三相異步電機是煤礦井下提升運輸系統主要的動力來源，在對理想的煤礦三相異步電機作如下假設：① 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉子磁場均為對稱分布；② 忽略齒槽、電樞反應和換相過程等的影響；③ 異步電機的電樞繞組在定子內表面均勻連續分布。

電機電壓平衡方程：

其中，Te是額定轉矩，TL是負載轉矩，J是電機轉軸上的轉動慣量的總和，ω是機械角速度。

二、橋式驅動電路設計

橋式驅動電路采用六個IGBT管兩兩串聯后并聯組成三個并聯支路，整流電路輸出端與三個支路并聯，三個支路的中點與電機的三相繞組A、B、C相連接，橋式驅動電路如圖1所示。通過控制IGBT管的導通順序來控制三相繞組的通電方向和順序，使電機產生恒定的轉矩持續旋轉。因為煤礦異步電機繞組換相時間短，電流大，所以橋式驅動電路不僅需要承受瞬時大電流，還必須具有保護功能，能夠檢測系統過流、短路等故障，并發送故障信號，同時能夠在故障發生時快速切斷電機繞組電源，封鎖橋式驅動電路的輸出。 （圖1）

煤礦異步電機采用三相六拍制兩兩導通的控制方式，電機旋轉3600的過程中需要經歷六次換相，電機運轉時需要非同一橋臂的上、下兩個功率管導通，即導通情況為Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，圖2功率管的導通時序圖。假如同一橋臂的功率管導通時間稍有交迭，相當于將整流電路的輸出端直接短路，將會造成整流電路及相關電路的燒毀，所以橋式驅動電路工作時絕對不允許同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通。為了避免同一橋臂上下兩個IGBT管同時導通，在上下兩個開關管切換的瞬間加一小段時間的延時（死區時間），保證一只功率管導通時，與它同一橋臂的功率管處于關斷狀態。

圖2 功率管的導通順序

三、 IGBT驅動保護電路設計

本文采用單功率管專用驅動芯片K841L為核心設計IGBT驅動保護電路，K841L輸入信號幅值4.5-7V或3-4.5V；可根據需要調節盲區時間、軟關斷的速度、故障后再次啟動的時間；可以使用單一電源，驅動器內部設有負壓分配器，減少了外圍電路設計和元器件；關斷時輸出為負電平，抗干擾能力強；當6 腳對 1 腳（即 IGBT 的發射極） 的電位升高到 到閾值時啟動內部的保護機制。IGBT驅動電路如圖3所示，其中Cc、Ce、Cp為濾波電容，高壓快恢復管D為隔離反饋二極管，本文選用FUR1100，電阻Rg為柵極電阻，控制柵極充放電的速度。（圖3）

四、結論

本文在闡述煤礦安全生產形勢和異步電機數學模型的基礎上，開展礦用提升運輸用異步電機驅動技術研究，分別設計了橋式驅動電路和IGBT驅動保護電路，并對電機的軟關斷技術進行分析，本文的研究成果為礦用提升運輸用異步電機控制系統設計奠定基礎。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現代電機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 蘭建義，王永建等，煤礦生產設備的可靠性分析，煤礦機械，2002（9）：35-36.

[3] 魏巍.礦井斜巷運輸綜合監控系統[D].安徽理工大學碩士畢業論文，2006.