基于矢量控制的礦井提升機研究

徐 杰,陳 磊,王運強

（山東豐源遠航煤業有限公司趙坡煤礦,山東 滕州 277518）

0 引言

交流調速技術工業應用領域一直處于非常重要的地位，在該技術剛興起之時，學者們對交流電機的動態穩態分析、控制和物理特性的研究就已經比較盛行[1]。磁場定向控制理論的提出，促使交流調速技術有了很大的提升[2]。由于異步電機的數學方程是一個多變量、強耦合、非線性的模型，矢量控制技術中使用了坐標變換，可以把復雜的電機模型轉換到旋轉的且簡單的d-q坐標系下，再對此坐標系下的模型進行簡化分解，使得難以解耦控制的異步電機等效類似于直流電機的模型[3]。

1 矢量控制變頻調速系統的原理

三相異步電動機的繞組在空間上互差 電角度并固定在定子上，當在三相繞組上加三相交流電時，定子繞組將在空間上產生旋轉磁場。

把異步電動機的三相繞組等效變換到空間互成為90°的靜止α、β繞組，三相繞組的電流和兩相α、β繞組電流有固有的變換關系。再經過旋轉坐標變換，將兩相靜止α、β繞組電流等效變換為磁場方向與M軸、T軸方向一致的同步旋轉坐標系下，從而調節電機的磁場與轉矩以達到調速的目的。

2 矢量控制系統的轉子磁場定向原理

磁鏈的檢測方法大體上有直接法和間接法兩種。由于直接法存在很多弊端，因此工程中使用較多的是間接法，即通過檢測電壓、電流或轉速等參數，借助于數學模型計算出轉子磁鏈值。

由靜止兩相αβ坐標系下的定子電壓公式可推導出轉子磁鏈電壓模型表達式：

上式即為電壓型轉子磁鏈的估算模型，如果電動機的參數都已知，則 軸的電流可以從三相定子電壓和電流測量值經過3S/2S變換得到，那么 、 就可以求出。

異步電動機矢量控制系統圖，如圖1所示：

3 速度曲線的選擇及給定方法

在傳統礦井提升機中，根據加速特性不同，其運行速度曲線可以分為3階段式、5階段式和6階段式速度圖，根據趙坡煤礦的實際工況，本文中選擇5階段速度圖為研究對象。同時，這種5階段式運行曲線非對稱，是目前最為廣泛和典型的運行方式。它的運行過程包括啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減制動段5個階段，構成了礦井提升機一次完整的運行周期，如圖2所示：

4 系統仿真分析

在圖中，主電路采用了三相不控整流、電流滯環比較控制。控制部分采樣定子三相電流以及轉子轉速，通過磁場定向運算得到轉子磁鏈 及 ，然后根據轉差等計算 、 ，再經過2r/3s變換后得到三相定子電流的給定值，并通過電流滯環比較，產生PWM波控制電動機轉動。

給定轉矩為 ；初始給定轉速 ，1s后減速到 ，2s后降速停車。額定負載下的仿真波形如圖3所示：

5 結論

由仿真可知系統的帶負載能力較好、具有較小超調量、響應速度快等優點。電機的轉速ω是隨著運行時間的增加逐漸由0增加到最大值然后到穩定轉速再兩次降速到0，符合提升機速度曲線要求。仿真所研究的特性都與電機的實際情況相同，由此可見SIMULINK模型可以正確的反映實際情況，將該控制算法應用到趙坡煤礦，實際工程使用進一步驗證了系統的正確性和可行性。

[1]賈瑞,康錦萍.基于Matlab/Simulink的異步電機矢量控制系統仿真[J].華北電力技術, 2011(09):18-25.

[2]蘇長勝.礦井提升機控制技術研究現狀與發展[J]. 工礦自動化,2013(02):33-38.

[3]彭佑多,張永忠,劉德順等.礦井提升機的安全可靠性分析與設計[J].中國安全科學學報, 2002(06):32-35.