矿用提升运输用异步电机驱动技术研究
2014-10-29李骁洋
李骁洋
【摘要】 为了保证矿用提升运输用异步电机驱动系统的可靠性，本文首先对煤矿井下安全生产形势和异步电机数学模型进行介绍，然后对电机矿用提升运输用异步电机绕组桥式驱动技术和软关断技术进行研究，最后分别设计桥式驱动电路、IGBT驱动保护电路，并对电路的工作原理进行详细分析。
【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测
随着科技的高速发展及矿井科技含量的增加，我国煤矿安全生产形势整体好转，事故总量和百万吨死亡率持续下降，但制约安全生产的事故隐患还没有彻底排除，尤其是煤矿开采深度的增加，开采环境变得更加复杂，电气设备的数量也不断增加，煤矿井下安全生产形势仍然严峻。井下电气设备种类众多，如输配电设备、安全生产设备、排水救援设备和提升运输设备，其中提升运输设备是井下运输输配电设备、生产设备、煤和人员的唯一通道，是保障井下安全生产的屏障和支撑。井下提升运输的过程实质上就是电机将电能转换成被运输物的重力做功过程，电机的可靠动作需要处理器发送信号控制驱动电路的功率管合理导通，电机绕组按照固定顺序通电产生恒定转矩，所以开展针对异步电机驱动技术进行研究，对于提高井下提升运输系统的可靠性及保障安全生产工作的顺利开展具有十分重要的意义。
一、矿用提升运输用异步电机模型
三相异步电机是煤矿井下提升运输系统主要的动力来源，在对理想的煤矿三相异步电机作如下假设：① 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场均为对称分布；② 忽略齿槽、电枢反应和换相过程等的影响；③ 异步电机的电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。
电机电压平衡方程：
其中，Te是额定转矩，TL是负载转矩，J是电机转轴上的转动惯量的总和，ω是机械角速度。
二、桥式驱动电路设计
桥式驱动电路采用六个IGBT管两两串联后并联组成三个并联支路，整流电路输出端与三个支路并联，三个支路的中点与电机的三相绕组A、B、C相连接，桥式驱动电路如图1所示。通过控制IGBT管的导通顺序来控制三相绕组的通电方向和顺序，使电机产生恒定的转矩持续旋转。因为煤矿异步电机绕组换相时间短，电流大，所以桥式驱动电路不仅需要承受瞬时大电流，还必须具有保护功能，能够检测系统过流、短路等故障，并发送故障信号，同时能够在故障发生时快速切断电机绕组电源，封锁桥式驱动电路的输出。 （图1）
煤矿异步电机采用三相六拍制两两导通的控制方式，电机旋转3600的过程中需要经历六次换相，电机运转时需要非同一桥臂的上、下两个功率管导通，即导通情况为Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，图2功率管的导通时序图。假如同一桥臂的功率管导通时间稍有交迭，相当于将整流电路的输出端直接短路，将会造成整流电路及相关电路的烧毁，所以桥式驱动电路工作时绝对不允许同一桥臂上下两个IGBT管同时导通。为了避免同一桥臂上下两个IGBT管同时导通，在上下两个开关管切换的瞬间加一小段时间的延时（死区时间），保证一只功率管导通时，与它同一桥臂的功率管处于关断状态。
图2 功率管的导通顺序
三、 IGBT驱动保护电路设计
本文采用单功率管专用驱动芯片K841L为核心设计IGBT驱动保护电路，K841L输入信号幅值4.5-7V或3-4.5V；可根据需要调节盲区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间；可以使用单一电源，驱动器内部设有负压分配器，减少了外围电路设计和元器件；关断时输出为负电平，抗干扰能力强；当6 脚对 1 脚（即 IGBT 的发射极） 的电位升高到 到阈值时启动内部的保护机制。IGBT驱动电路如图3所示，其中Cc、Ce、Cp为滤波电容，高压快恢复管D为隔离反馈二极管，本文选用FUR1100，电阻Rg为栅极电阻，控制栅极充放电的速度。（图3）
四、结论
本文在阐述煤矿安全生产形势和异步电机数学模型的基础上，开展矿用提升运输用异步电机驱动技术研究，分别设计了桥式驱动电路和IGBT驱动保护电路，并对电机的软关断技术进行分析，本文的研究成果为矿用提升运输用异步电机控制系统设计奠定基础。
参 考 文 献
[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 兰建义，王永建等，煤矿生产设备的可靠性分析，煤矿机械，2002（9）：35-36.
[3] 魏巍.矿井斜巷运输综合监控系统[D].安徽理工大学硕士毕业论文，2006.
【摘要】 为了保证矿用提升运输用异步电机驱动系统的可靠性，本文首先对煤矿井下安全生产形势和异步电机数学模型进行介绍，然后对电机矿用提升运输用异步电机绕组桥式驱动技术和软关断技术进行研究，最后分别设计桥式驱动电路、IGBT驱动保护电路，并对电路的工作原理进行详细分析。
【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测
随着科技的高速发展及矿井科技含量的增加，我国煤矿安全生产形势整体好转，事故总量和百万吨死亡率持续下降，但制约安全生产的事故隐患还没有彻底排除，尤其是煤矿开采深度的增加，开采环境变得更加复杂，电气设备的数量也不断增加，煤矿井下安全生产形势仍然严峻。井下电气设备种类众多，如输配电设备、安全生产设备、排水救援设备和提升运输设备，其中提升运输设备是井下运输输配电设备、生产设备、煤和人员的唯一通道，是保障井下安全生产的屏障和支撑。井下提升运输的过程实质上就是电机将电能转换成被运输物的重力做功过程，电机的可靠动作需要处理器发送信号控制驱动电路的功率管合理导通，电机绕组按照固定顺序通电产生恒定转矩，所以开展针对异步电机驱动技术进行研究，对于提高井下提升运输系统的可靠性及保障安全生产工作的顺利开展具有十分重要的意义。
一、矿用提升运输用异步电机模型
三相异步电机是煤矿井下提升运输系统主要的动力来源，在对理想的煤矿三相异步电机作如下假设：① 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场均为对称分布；② 忽略齿槽、电枢反应和换相过程等的影响；③ 异步电机的电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。
电机电压平衡方程：
其中，Te是额定转矩，TL是负载转矩，J是电机转轴上的转动惯量的总和，ω是机械角速度。
二、桥式驱动电路设计
桥式驱动电路采用六个IGBT管两两串联后并联组成三个并联支路，整流电路输出端与三个支路并联，三个支路的中点与电机的三相绕组A、B、C相连接，桥式驱动电路如图1所示。通过控制IGBT管的导通顺序来控制三相绕组的通电方向和顺序，使电机产生恒定的转矩持续旋转。因为煤矿异步电机绕组换相时间短，电流大，所以桥式驱动电路不仅需要承受瞬时大电流，还必须具有保护功能，能够检测系统过流、短路等故障，并发送故障信号，同时能够在故障发生时快速切断电机绕组电源，封锁桥式驱动电路的输出。 （图1）
煤矿异步电机采用三相六拍制两两导通的控制方式，电机旋转3600的过程中需要经历六次换相，电机运转时需要非同一桥臂的上、下两个功率管导通，即导通情况为Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，图2功率管的导通时序图。假如同一桥臂的功率管导通时间稍有交迭，相当于将整流电路的输出端直接短路，将会造成整流电路及相关电路的烧毁，所以桥式驱动电路工作时绝对不允许同一桥臂上下两个IGBT管同时导通。为了避免同一桥臂上下两个IGBT管同时导通，在上下两个开关管切换的瞬间加一小段时间的延时（死区时间），保证一只功率管导通时，与它同一桥臂的功率管处于关断状态。
图2 功率管的导通顺序
三、 IGBT驱动保护电路设计
本文采用单功率管专用驱动芯片K841L为核心设计IGBT驱动保护电路，K841L输入信号幅值4.5-7V或3-4.5V；可根据需要调节盲区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间；可以使用单一电源，驱动器内部设有负压分配器，减少了外围电路设计和元器件；关断时输出为负电平，抗干扰能力强；当6 脚对 1 脚（即 IGBT 的发射极） 的电位升高到 到阈值时启动内部的保护机制。IGBT驱动电路如图3所示，其中Cc、Ce、Cp为滤波电容，高压快恢复管D为隔离反馈二极管，本文选用FUR1100，电阻Rg为栅极电阻，控制栅极充放电的速度。（图3）
四、结论
本文在阐述煤矿安全生产形势和异步电机数学模型的基础上，开展矿用提升运输用异步电机驱动技术研究，分别设计了桥式驱动电路和IGBT驱动保护电路，并对电机的软关断技术进行分析，本文的研究成果为矿用提升运输用异步电机控制系统设计奠定基础。
参 考 文 献
[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 兰建义，王永建等，煤矿生产设备的可靠性分析，煤矿机械，2002（9）：35-36.
[3] 魏巍.矿井斜巷运输综合监控系统[D].安徽理工大学硕士毕业论文，2006.
【摘要】 为了保证矿用提升运输用异步电机驱动系统的可靠性，本文首先对煤矿井下安全生产形势和异步电机数学模型进行介绍，然后对电机矿用提升运输用异步电机绕组桥式驱动技术和软关断技术进行研究，最后分别设计桥式驱动电路、IGBT驱动保护电路，并对电路的工作原理进行详细分析。
【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测
随着科技的高速发展及矿井科技含量的增加，我国煤矿安全生产形势整体好转，事故总量和百万吨死亡率持续下降，但制约安全生产的事故隐患还没有彻底排除，尤其是煤矿开采深度的增加，开采环境变得更加复杂，电气设备的数量也不断增加，煤矿井下安全生产形势仍然严峻。井下电气设备种类众多，如输配电设备、安全生产设备、排水救援设备和提升运输设备，其中提升运输设备是井下运输输配电设备、生产设备、煤和人员的唯一通道，是保障井下安全生产的屏障和支撑。井下提升运输的过程实质上就是电机将电能转换成被运输物的重力做功过程，电机的可靠动作需要处理器发送信号控制驱动电路的功率管合理导通，电机绕组按照固定顺序通电产生恒定转矩，所以开展针对异步电机驱动技术进行研究，对于提高井下提升运输系统的可靠性及保障安全生产工作的顺利开展具有十分重要的意义。
一、矿用提升运输用异步电机模型
三相异步电机是煤矿井下提升运输系统主要的动力来源，在对理想的煤矿三相异步电机作如下假设：① 三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场均为对称分布；② 忽略齿槽、电枢反应和换相过程等的影响；③ 异步电机的电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。
电机电压平衡方程：
其中，Te是额定转矩，TL是负载转矩，J是电机转轴上的转动惯量的总和，ω是机械角速度。
二、桥式驱动电路设计
桥式驱动电路采用六个IGBT管两两串联后并联组成三个并联支路，整流电路输出端与三个支路并联，三个支路的中点与电机的三相绕组A、B、C相连接，桥式驱动电路如图1所示。通过控制IGBT管的导通顺序来控制三相绕组的通电方向和顺序，使电机产生恒定的转矩持续旋转。因为煤矿异步电机绕组换相时间短，电流大，所以桥式驱动电路不仅需要承受瞬时大电流，还必须具有保护功能，能够检测系统过流、短路等故障，并发送故障信号，同时能够在故障发生时快速切断电机绕组电源，封锁桥式驱动电路的输出。 （图1）
煤矿异步电机采用三相六拍制两两导通的控制方式，电机旋转3600的过程中需要经历六次换相，电机运转时需要非同一桥臂的上、下两个功率管导通，即导通情况为Q1+Q6、Q2+Q6、Q2+Q4、Q3+ Q4、Q1+Q5和 Q3+Q5，图2功率管的导通时序图。假如同一桥臂的功率管导通时间稍有交迭，相当于将整流电路的输出端直接短路，将会造成整流电路及相关电路的烧毁，所以桥式驱动电路工作时绝对不允许同一桥臂上下两个IGBT管同时导通。为了避免同一桥臂上下两个IGBT管同时导通，在上下两个开关管切换的瞬间加一小段时间的延时（死区时间），保证一只功率管导通时，与它同一桥臂的功率管处于关断状态。
图2 功率管的导通顺序
三、 IGBT驱动保护电路设计
本文采用单功率管专用驱动芯片K841L为核心设计IGBT驱动保护电路，K841L输入信号幅值4.5-7V或3-4.5V；可根据需要调节盲区时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间；可以使用单一电源，驱动器内部设有负压分配器，减少了外围电路设计和元器件；关断时输出为负电平，抗干扰能力强；当6 脚对 1 脚（即 IGBT 的发射极） 的电位升高到 到阈值时启动内部的保护机制。IGBT驱动电路如图3所示，其中Cc、Ce、Cp为滤波电容，高压快恢复管D为隔离反馈二极管，本文选用FUR1100，电阻Rg为栅极电阻，控制栅极充放电的速度。（图3）
四、结论
本文在阐述煤矿安全生产形势和异步电机数学模型的基础上，开展矿用提升运输用异步电机驱动技术研究，分别设计了桥式驱动电路和IGBT驱动保护电路，并对电机的软关断技术进行分析，本文的研究成果为矿用提升运输用异步电机控制系统设计奠定基础。
参 考 文 献
[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 兰建义，王永建等，煤矿生产设备的可靠性分析，煤矿机械，2002（9）：35-36.
[3] 魏巍.矿井斜巷运输综合监控系统[D].安徽理工大学硕士毕业论文，2006.
