礦用提升機雙饋電機控制系統

王雙虎

（潞安集團余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

0 引言

礦井提升機是礦井開采運輸的關鍵設備。在開采過程中，井下人員，礦物運輸頻繁。提升機一旦出現故障，會嚴重影響礦井的生產。因此，為了提高礦山開采的生產效率，應保證礦井提升機的安全性和可靠性[1-3]。

其中，礦井提升機電控系統的綜合性能是決定其穩定運行的關鍵設備。目前，國內礦井提升機電控系統主要以異步電動機串電阻調速和晶閘管直流調速為主，這2種調速系統缺點包括電動機運行效率相對低下，維護工作難度高等。尤其是提升機構在亞同步區間運行時，異步電動機串電阻調速系統還需要額外增加設備用于制動減速，減少了井下作業的空間。為解決上述問題，文章為礦井提升機構設計了一套雙饋電動機直接轉矩控制系統[4-6]。

1 雙饋電機控制系統結構

礦井提升機雙饋電機調速的主要結構如圖1所示，由雙饋電動機，位置傳感器，提升機滾筒，雙PWM脈寬調制變換器組成。其中PWM脈寬調質變換器由PWM整流器和PWM逆變器兩部分組成，整流器的作用是將電網恒定電壓，轉換成一個期望的直流電壓值，提供給PWM逆變器；PWM逆變器再將直流電壓轉變為雙饋電機轉子外接電源。該電源的頻率、幅值、相位均可調整，以滿足雙饋電機對調升機構的調速要求。

圖1 交流雙饋提升機調速系統

從圖中可以看出，提升機提升速度由控制器2提供，圖中w*是雙饋電機轉速與提升機提升速度轉換的變量，利用電機轉速轉矩與電機電壓Ua、Ub、Uc的對應值，通過PWM逆變器，轉換成一個恒定的電壓值Ud。雙饋電機轉子繞組感應電勢的頻率要與PWM生成的電源頻率的一致[7-8]。

控制器1是根據逆變器需要的電壓值Ud,給PWM整流器一個預期的Ud*電壓，PWM整流器的作用就是將電網電壓轉換成Ud*。為了保證整流器能夠快速響應電壓的變化，在電路中增加了串聯電阻用于減少S2開關閉合時產生的初始電流。另外，由于提升機需要滿足四象限的運行模式，PWM整流器的直流側與網側的能量傳輸需要具備可逆性。

對于常規的異步電動機來說，直接轉矩控制是利用調整定子磁鏈來實現，對于雙饋電機來說，其運行模式會有差別，因此需要重新建立數學模型。

2 控制系統數學模型建立

雙饋電機的物理模型如圖2所示：

圖2 雙饋電機的物理模型

根據雙饋電機的物理模型可知，雙饋電機的電磁轉矩可表示為：

按照礦井提升機結構，可得提升機負載轉矩如下式：

式中：TL為提升機負載轉矩，N·m；J為提升機飛輪的轉動慣量，kg·m2；np為反饋電機極對數。

通過上述2個公式，可得到提升機負載轉矩TL與雙饋電機轉子電流的ia、ib、ic關系式。利用三相交流電源空間矢量概念，可將轉子需求的三相交流電源的ia、ib、ic進行轉換；

式中：id為網側電流的有功分量，A；iq為網側電流的無功分量，A。

根據上述數學模型，id、iq是雙饋電機電流變化的預期值。由于電網電源的參數是固定的，電流的具體數值可通過改變調制電壓Ud、Uq確定。

對于脈寬調制變換器，期望功率因數通常為1，因此網側電流無攻分量iq=0。綜上所述，可構建出電壓Ud對應的提升機轉矩Te的數學模型。

3 仿真分析

根據煤礦安全生產規程，提升機構在礦井內作業，其加速度和速度都有著嚴格的要求，其中未來提升機能夠準確停車，提升機的提升速度在停車前不得超過0.3 m/s，靜差率不大于0.1%。

為了驗證設計的提升機構電控系統能否滿足要求，利用Matlab對其進行仿真分析。其中，模擬選擇雙饋電機的功率為620 kW，電壓為380 V，極對數np為2，額定轉速為1 450 r/min，定轉子互感為70 mH，提升機飛輪的轉動慣量為35 kg·m2。

仿真的速度變化模型如圖3所示，用于模擬提升機負載工作的一個循環周期。運行時間為150 s，30 s內從提升速度提高至1 200 r/min，70 s勻速運行后，30 s內將至規定爬行速度后保持20 s后停止。

圖3 提升機速度仿真波形

圖4 為提升機負載轉矩為500 N·m，即輕載時雙饋電機的力矩仿真圖。

圖4 輕載下雙饋電機力矩仿真圖

從圖4中可以看出：

1）雙饋電機控制系統在30 s加速過程中，電機力矩為1 500 N·m，與上述數學模型計算相符。

2）雙饋電機在減速過程中，由于負載較低，電機必須輸出反向制動轉矩，因此從仿真圖上可以看出，電機力矩為-500 N·m，這證明了控制系統能夠滿足電機的四象限運行模式。

3）在仿真過程中，各運行階段開始均有不同程度的力矩偏差波動，最大為60 N·m，但波動在1 s內趨于穩定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機轉速相對平穩。

圖5 為提升機負載轉矩3 000 N·m，即重載時雙饋電機的力矩仿真圖。

圖5 重載下雙饋電機力矩仿真圖

從圖5中可以看出：

1）雙饋電機控制系統在30 s加速過程中，電機力矩為3 000 N·m，與上述數學模型計算相符。

2）雙饋電機在減速過程中，由于負載較高，電機輸出的制動轉矩為正值，從仿真圖上可以看出，電機力矩為2 000 N·m。

3）在仿真過程中，各運行階段開始均有不同程度的力矩偏差波動，最大為60 N·m，但波動在1 s內趨于穩定，靜差率滿足要求，整個仿真過程電機轉速相對平穩。

綜合上述仿真結果，可以看出無論是重載還是輕載的狀態下，新的雙饋電機直接轉矩控制系統均能有效保證電機按照要求進行升速、降速。滿足了礦井內提升機所要求的穩定性和可靠性。

4 結論

以礦井提升機構為研究對象，針對傳統提升機電控系統穩定性差的問題，設計了一套新的基于直接轉矩控制的雙饋電機調速系統，通過模擬仿真，得出如下結論：

1）雙饋電機控制系統是利用PWM脈寬調制變換器，將電網電壓轉變雙饋電機的三相電流，以調節提升機構運行過程中的速度。該系統具有結構簡單，占用空間小等優點。

2）通過仿真分析發現，雙饋電機直接轉矩控制系統在提升機構運行模式轉變時，存在力矩波動的現象，但波動幅值相對較小，僅為電機轉矩的3%，具有較好的穩定性。

3）通過仿真分析發現，雙饋電機直接轉矩控制系統在提升機構運行模式轉變時，能夠迅速進行反應，靜差率不大于1%。且在輕載狀態下，減速時提供反向制動力矩，說明新控制系統具有好的可靠性。