煤礦提升機雙饋電動機調速技術研究

2020-08-28 08:21:52陳君宇張宏耀

煤礦機電 2020年4期

陳君宇，張宏耀

(山西西山煤電股份有限公司西曲煤礦，山西古交 030200)

0 引言

提升機是煤礦企業生產過程中的重要機械設備，布置于斜井或豎井中，主要用于對煤炭、設備和人員等進行井上和井下的往返運輸。它作為礦井的“咽喉”要道，其工作狀態直接影響到物料的運輸效率和人員、設備安全。因此,提升機必須具備較高的穩定性和安全性。其中提升機的電控系統尤為發揮關鍵性的作用。

傳統提升機調速采用串聯電阻調速等方案，其電控系統體積大、接線復雜、耗能高、可靠性差，已逐漸被淘汰。隨著電控技術的發展,以及人們對提升機性能要求的提高，新的提升機調速方案設計不斷涌現[1-3]。本文著重對提升機的雙饋電動機調速進行技術研究。

1 提升機電控系統性能要求

隨著煤礦生產自動化程度和安全性要求的提高，對提升機的電控系統提出了以下性能要求：

1) 調速平穩，調節精度高。礦井提升機在運輸不同物料時的負荷相差較大，且要求調速范圍寬。為避免速度突變造成的沖擊，要求調速過程更加平穩。同時,在調節精度上，主要對靜態轉差率具有一定要求，即保證電控系統根據不同負荷狀況自動調節速度偏差。另外，還應避免在初始啟動階段出現下墜現象。

2) 四象限均可穩定運行。提升機有提升和下放兩個方向的操作。而在單個操作中又分別有加速、勻速、減速、爬行和停車等過程，這要求電動機在正轉或反轉時都按設定程序進行驅動或制動作業，故電控系統需在四個象限內均穩定運行。

3) 故障監測能力可靠。可靠的故障監測是保證提升機穩定、安全、高效運行的基礎。

4) 滿足節能降耗需求。提升機啟停運動頻繁，電動機耗能較大。為降低企業的生產成本，應通過技術革新和進步不斷降低電能損耗[4-6]。

在諸多新型提升機調速方案中，基于雙變量交-交變頻雙饋調速的系統方案可顯著降低用電能耗，提高生產效率，且調速更加平穩。

2 雙饋調速的基本原理

雙饋調速由串級調速理論發展而來。其中“雙饋”是指將繞線轉子異步電機的定子和轉子繞組分別與交流電網連接，或者與其他含電動勢的電路連接，由此可使電功率相互傳遞，這就是廣義的雙饋電動機。雙饋調速中，矢量控制方法包括轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向和氣隙磁鏈定向3種。通過分析研究，本文采用第一種方法，即將定子正常連接工頻電網，而轉子上施加一個附加電勢，通過調節該附加電勢的相關參數即可控制轉速。具體原理如下：

雙饋調速基本原理如圖1所示。將由CU1和CU2組成的全控型功率變化單元與電動機轉子相連，在不同工況下，CU1和CU2可實現逆變和整流功能的相互轉換。例如當電動機正轉，處于電動模式時，從電網輸入功率驅動負載運轉，則CU2負責整流，CU1負責逆變，如圖1(a)所示；當電動機正轉，處于發電模式時，負載拖動電動機運轉，并由定子側將電功率輸出至電網，則CU1負責整流，CU2負責逆變,如圖1(b)所示。由此構成的雙向變頻器可實現功率的雙向傳遞。

(a) 電動模式

(b) 發電模式

3 轉子磁鏈定向雙饋調速方法研究

轉子磁鏈定向技術中，轉子的滑環與變頻器相連，可實現對電網電能的提取和回饋。通過改變變頻器的輸出頻率、輸出電壓相位、幅值等參數，可最終改變電動機的輸出轉速及功率因數等。

該型電動機的等效電路原理如圖2所示。圖2中:Es、Is、Rs、Xs分別為定子側電壓、電流、電阻和電抗；Er、Xm分別為勵磁電抗值和勵磁電抗產生的電壓；Ea/s為轉子回路中全控變頻器產生的附加電動勢；Ir、Rr分別為轉子側電流、轉子繞組每相電阻；Xr為s=1時每相的漏抗，s為轉差率。

圖2 轉子磁鏈定向雙饋調速等效原理

轉子側電流Ir可表示為：

(1)

假設轉子側合成電動勢∑Er=sEr±Ea，則式(1)可簡化為：

(2)

1)Ea與sEr反相。當兩者反相時，附加電動勢Ea的接入使合成電動勢∑Er減小，則流經轉子的有功電流分量Irp和電磁轉矩都相應減小。但由于轉子上的負載扭矩不變，此時輸出轉速降低，轉差率s由此增大。當轉差率s增大至滿足以下條件Er-Ea=sEr時，Irp不再變化，此時電磁轉矩與負載扭矩重新平衡，該轉差率記為s′。因此，當附加電動勢Ea幅值越大時，轉差率s′也越大，相應電動機轉速也越低。

2)Ea與sEr同相。與式(1)原理相似，當兩者同相時，合成電動勢∑Er增大，電磁轉矩增大，轉差率s減小，轉子轉速增大。

由以上可知，通過調節變頻器輸出附加電動勢的幅值和相位，可對電動機的轉速進行調節。

4 雙饋電動機調速控制系統組成

雙饋電動機調速控制系統主要由提升容器位置檢測傳感器、PLC控制器、雙饋電動機、逆變器、整流器、開關等組成,如圖3所示。整流器可向逆變器提供一個恒定電壓。逆變器則將該電壓調制輸出為特定幅值和相位的附加電源。傳感器一般采用在電動機或減速機后安裝旋轉編碼器，編碼器可對旋轉圓周進行計數，然后將該計數信號發送至PLC控制器。PLC控制器可計算出提升容器的實時位置，并由此控制逆變器和整流器工作，輸出指定幅值和相位的附加電動勢，由此控制提升容器的加速和減速過程。