礦井提升機同步電動機轉子定位技術的應用和故障分析

趙曉博　趙大偉

摘 要：主要對礦井提升機同步電動機的轉子定位技術以及應用中出現的問題進行了詳細解讀和分析，并重點介紹了轉子定位控制在實際應用中常見的問題和解決方法。

關鍵詞：礦井提升機； 同步電機轉子定位； 碼盤零脈沖

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.128

0 引言

如果要在給定的定子電流（定子磁通）不變的情況下實現最大轉矩，就要求定子磁通矢量必須垂直于轉子磁通矢量。因此，必須隨時知道電機轉子相對于定子坐標系的位置。轉子的初始位置是由轉子定位檢測環節來實現，即在電機建立空載磁場的過程中，由電壓模型通過測量在定子繞組中感應的三相感應電壓（雙繞組同步電機為三相合成電壓），用電壓矢量三角形法則準確計算出轉子在定子坐標系的空間位置，此后便由電流模型在低速范圍用計算編碼器脈沖數來完成轉子位置的測量跟蹤。

1 礦井提升機大型同步電機轉子定位技術說明

1.1 同步電動機轉子位置的必要性

普通同步電機對定子電壓或電流用矢量控制，既控制大小，又控制方向，改善了標量控制方式下轉矩控制的性能。同步電動機的所有矢量（磁通勢、磁鏈、電壓、電流等） 都在空間以同步速旋轉，它們在定子坐標系 （靜止系） 上的各分量，即在定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計算不方便。借助于坐標變換（3/2），使人從靜止坐標系進入同步旋轉坐標系，站在旋轉坐標系上看，電動機各矢量都變成了靜止矢量，它們在坐標系上的各分量都是直流量，可以很方便地從統一轉矩公式出發，找到轉矩和被控矢量（電壓或電流等矢量）各分量間的關系（矢量分析），實時地算出轉矩控制所需的被控矢量各分量的值（直流給定量）。由于這些被控矢量的直流分量在物理上不存在，還需再經坐標變換，從旋轉坐標系回到靜止系（矢量分析），把上述直流給定量變換成物理上存在的交流給定量（2/3變換），在定子坐標系對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。因此，按磁場定向的旋轉矢量控制的關鍵是定子的靜止坐標系和磁通的旋轉坐標系之間的坐標變換，而完成坐標變換的關鍵是確定兩坐標系之間的夾角，即磁通位置角φs。隱極電機轉子初始位置角λ0、負載角φL、和磁通位置角φs的關系如圖1所示，凸極電機轉子初始位置角λ0、負載角φL、和磁通位置角φs的關系如圖2所示。根據圖示，確定了轉子初始位置角λ0、轉動過程中的轉子位置和負載角φL，就能實時地得到磁通位置角φs。

1.2 同步電動機轉子定位的方法

（1）確定初始位置角λ0：礦井提升用的同步電機的起動是從建立空載磁場和檢測轉子初始位置開始的，勵磁電流控制裝置得到使能指令給電機勵磁繞組輸出空載勵磁電流IE0（如圖4a所示），diE/dt在定子各相繞組中產生不同的感應電壓脈沖（如圖4b所示）；感應電壓脈沖的幅值和正負取決于電機轉子相對于定各相繞組的空間位置。控制系統用矢量三角形法則準確計算出轉子的初始位置；由于電機速度為零，定子電流沒有使能，電機沒有負載，所以負載角為零，這種情況下磁通位置角就等于轉子的位置角（如圖3所示）。

（2） 編碼器對轉子位置的跟蹤測量。在電機轉子初始位置確定之后，電機一旦旋轉起來，就在該初始位置的基礎上加上或者減去編碼器A/B通道測量的位置，直至零脈沖信號到來復位位置計數，再重新開始從零計數，如圖4c） 所示。

2 礦井提升機大型同步電機轉子位置問題分析

由同步電機轉子初始位置檢測的原理和方法可以將定位過程分為初始定位和運行定位兩個部分，應用中出現的故障也可以分為初始定位故障和運行位置跟蹤故障兩類。

2.1 轉子初始定位類故障實例分析

（1）在空間有30度相移的雙繞組同步電機控制系統中，要測定電機繞組系統2相對于電機繞組系統1的相位關系，不管電機的繞組系統2超前繞組系統1或者滯后繞組系統1，都要確保系統合成的電壓矢量永遠應該和繞組系統1的電壓矢量相位相同，如圖5所示。

圖6所示為轉子初始位置定位過程中的勵磁電流實際值和磁通實際值，從記錄的波形可以看出，在勵磁電流達到空載勵磁電流并穩定運行的過程中，定子電壓實際值檢測環節測量到了三相繞組的感應電壓，但是磁通實際值只能達到70%左右，最后故障跳閘。分析原因為，由于該同步電機是雙繞組系統電機，而且電機兩套繞組空間相差30度；這種現象應該是繞組系統1和2相位關系錯誤導致定子三相感應電壓實際值在電機矢量模型計算的磁通值和磁通位置角出現較大偏差，轉子定位失敗。

（2）由于轉子初始位置檢測是檢測電機側感應電壓來計算的，所以同步電機定子繞組系統1和繞組系統2的功率電纜連接極性、電機定子主回路、電壓實際值檢測回路等任何環節的故障，都能引起反饋而來的電壓實際值誤差或者故障，從而導致轉子初始位置檢測失敗。

如圖7所示為電機兩個定子平行繞組極性接反，在磁場建立過程中產生的感應電動勢合成后接近于零，造成磁通實際值接近于零（圖7磁通值僅4%左右），無法建立磁場也不能檢測到電機轉子的初始位置。

如圖8所示為在磁場建立過程中電機六相定子繞組中產生的感應電動，檢查發現定子一號系統A相電壓缺失，這樣的情形也是不能正確計算磁通值，無法準確檢測到電機轉子的初始位置。

2.2 轉子初始定位類故障實例分析

（1）編碼器的安裝精度，可靠性和穩定性等直接影響轉子位置檢測的準確性。在調試和使用中由于碼盤的原因引起的問題在礦山提升機同步電機傳動中非常普遍，下圖9所示為由于編碼器機械安裝不穩定，發生實際值突變引起速度實際值、轉子位置變化，導致定子電流轉矩分量階躍的波形記錄。

（2） 編碼器的安裝精度不夠、齒輪間隙大、軸連接固定鍵銷松動等都會造成電機轉動過程中系統檢測到的轉子位置累積誤差，而且這個誤差會逐漸增大，直到超限故障跳閘，再次建立磁場重新對轉子初始定位之后又能啟動運行，但是新的累積誤差又會出現，相對來說這種故障隱蔽性較強，發現問題的原因比較難。

如圖10所示就是由于同步電機編碼器的安裝精度不夠、間隙大，在加減速過程中累積誤差大造成電流模型和電壓模型磁通位置角的偏差超限的波形。可以與正常的加減速過程中負載角、電流電壓模型磁通位置角偏差的波形進行（如圖11所示）比較分析；從圖10的波形可以明顯看出，位置檢測編碼器的累積誤差引起的兩個模型的角度偏差達到了偏差角最大值的60%以上。

3 結語

礦井提升機同步電機的轉子位置檢測是傳動控制系統的起始功能，又貫穿整個提升生產周期；由于該環節既涉及到電機繞組結構和功率電纜連接，又涉及到電壓實際值檢測和電機轉動中轉子位置檢測，同時也與轉子定位編碼器的機械安裝有關，是實際應用中故障率相對較高的環節，該環節的電氣設備和技術直接影響到礦井的提升效率，更關乎到礦井提升的安全性。應加強對轉子位置檢測環節相關設備的深度維護和科學管理，才能為傳動設備的穩定運行與日常的維護管理夯實基礎。

參考文獻：

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