基于交-直-交變頻器的礦井提升機應用系統設計

周伯豪

（霍州煤電集團沁安煤電有限責任公司， 山西 霍州 031400）

引言

礦井提升機作為提高煤炭安全生產的關鍵設備之一，其能否安全穩定、可靠高效運行在于其控制系統設計，在各個參數控制中，尤以速度控制較為重要[1]。目前礦井提升現場大多使用異步電動機和低速直驅同步電動機，而煤礦提升作業中廣泛采用低頻電源交-交變頻和交流繞線異步電動機串電阻調速的方法進行，但是兩者難以調節電壓諧波分量、能耗大、功率因數過低等問題，因此需要設計一種調速方案，其在確保驅動電流動態性能良好、抗干擾能力強的情況下，實現礦井提升機系統的高效率控制[2]。

1 煤礦提升機及其調速方式選擇

為確保提升工作安全進行，煤礦提升機系統主要由主軸承、減速器、制動系統、深度指示器、主軸裝置、聯軸器、電動機七部分組成，具體如圖1 所示。其中主軸承及其附屬卷筒、基座等，主要完成負載力矩輸出并達到提升物品的目的；減速器通過調節齒輪轉速比，完成輸出力矩的調節，從而調整提升速度；制動系統作為平穩控制執行單元停止的裝置，主要由盤式制動器組成；深度指示器可以準確反映提升機當前位置；聯軸器可以補償兩軸之間的偏斜量，減少運行沖擊[3]。

圖1 煤礦提升機系統組成

為便于對煤礦提升負載進行控制，需要使用交-直-交變頻技術的調速系統，相對于其他方式，其具有以下優點[4]：主電路無須功率補償、快速熔斷等，結構簡單；無功功率變換情況，功率因數較大；因不涉及無功變換，對電網造成的壓降損失較小；對電網諧波不污染，不產生多余的電網諧波。特別是采用優化脈沖ARU 時，輸出電壓與電流的相位基本一致，功率因數可以達到1，諧波成分很低，相較于其他驅動方式有著極大的技術優勢[5]。

2 系統硬件電路設計

2.1 PWM 調速原理

根據面積等效原理，利用脈沖寬度調制技術可以實現對整流電路的精確控制，如圖2 所示為PWM三相整流電路。通過控制晶閘管V1～V6的開通關斷狀態，和濾波電容C 的大小，可以實現在不同負載RL的情況下對電壓ud的平穩控制，以交流側a 相為例，其滿足以下條件[6]：

圖2 PWM 三相整流電路

式中：upa為調制電壓，V；ia為交流電流，A；ea為交流側電壓，V；R 為回路總電阻，Ω；L 為包括電源漏電感及濾波器電感在內的回路整體電感，H。通過調節upa的相位方向和大小，可以實現系統在整流狀態、容性負載狀態、逆變狀態、感性負載狀態等不同狀態下的調節。

2.2 同步電機矢量控制原理

通過改變調制電壓upa可以實現對PWM 整流器的控制，可以通過改變幅相或矢量的方式完成控制[7]。其中在煤礦等應用環境下，利用矢量控制原理進行同步電動機控制原理如圖3 所示，主要分為同步電動機、速度位置處理模塊、PI 調節模塊、Park 逆變換模塊、Clarke 逆變換模塊和多電平PWM 調制模塊六大部分。根據給定速度（給定頻率）與實時反饋值之間的偏差得到速度偏差，根據實時位置信息，并經過PI 調節后根據轉子位置電氣角度進行Clarke及Park 變換，輸出電流及電壓偏差，并經過多電平PWM 模塊調節，完成對逆變器的控制，從而驅動電動機旋轉。其中在電動機轉子端安裝有高速旋轉編碼器，實現對其速度位置信息的精確測量和控制[8]。

圖3 電機矢量控制原理圖

2.3 全冗余礦井提升機應用控制系統設計

為實現4 500 kW 以上拖動系統的控制，驅動JKM-5.0 多繩摩擦提升機，設計如圖4 所示的全冗余雙電機提升機電控系統。全系統由滾筒、電動機、變頻器、旋轉編碼器、信號傳感器、電控系統等組成，在變頻器1 和變頻器2 的聯合驅動作用下，滾筒發生轉動，帶動裝在電動機末端的旋轉編碼器，從而實現對其轉動速度的測量；同時在提升軌道上安裝有位置信號傳輸裝置，能夠精確反映提升機的實時位置，并反饋給電控系統[9]。兩臺變頻器互為保障，當一臺出現故障時，另一臺可以迅速切換至檢修狀態，確保系統安全平穩運行。

圖4 全冗余礦井提升機應用控制系統電氣連接圖

3 軟件系統設計

3.1 提升系統工作流程

為實現煤礦井下貨物提升，煤礦提升機運行流程如圖5 所示，當系統負載處于正常狀態時，貨物安裝完畢后，進行電機啟動加速，隨后系統處于等速運行狀態，穩步提升貨物，持續一段時間后，開始進入減速運行狀態，當提升至終點附近時，之后處于低速爬行狀態，并在終點附近進行停止動作，完成停車卸載工作，并結束提升工作。不同的運輸貨物其速度也不相同，其中貨物運輸為9 m/s，人員運輸為5 m/s，下長材運輸為1.5 m/s，系統檢修時為0.3 m/s。

圖5 提升系統貨物運輸流程圖

3.2 矢量控制系統軟件功能組成

為實現對礦井提升裝置提升過程的精確控制，需要完成交-直-交矢量控制系統的軟件設計，其功能組成如圖6 所示，主要由參數采樣模塊、電壓模型等8 個功能區組成，其具體功能如下：

圖6 交-直-交矢量控制系統軟件功能組成

參數采集模塊，負責完成系統實際電壓、電流、位置、轉速等參數測量，并將其引入控制系統；磁通電壓調節模塊，負責對同步電機的磁通進行閉環調節；直流調節模塊，負責計算定子前饋補償電壓給定值；功率因數控制模塊，負責控制系統整體功率因數，使之更接近于1；電壓計算模型，負責根據參數采集模塊數據完成磁通量和角度測量及觀測；電流計算模型，負責計算定子電流的磁通和轉矩分量等關鍵信息；定位角選擇，負責根據不同運行狀態完成最優磁通角的選擇；勵磁電流監控模塊，確保在負載變化情況下，勵磁電流不會突變為零[10]。

4 結語

為增強煤炭生產的高效性和安全性，在研究礦井提升機結構和功能的基礎上，結合交-直-交變頻技術采用全冗余原則，完成礦井提升機應用系統設計，并完善硬件系統配套設施和軟件系統功能匹配，極大地提高了系統的全面性和抗干擾能力，拓寬了交-直-交變頻技術的應用環境，具有一定的借鑒意義。