矿井提升机同步电动机转子定位技术的应用和故障分析

赵晓博　赵大伟

摘 要：主要对矿井提升机同步电动机的转子定位技术以及应用中出现的问题进行了详细解读和分析，并重点介绍了转子定位控制在实际应用中常见的问题和解决方法。

关键词：矿井提升机； 同步电机转子定位； 码盘零脉冲

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

0 引言

如果要在给定的定子电流（定子磁通）不变的情况下实现最大转矩，就要求定子磁通矢量必须垂直于转子磁通矢量。因此，必须随时知道电机转子相对于定子坐标系的位置。转子的初始位置是由转子定位检测环节来实现，即在电机建立空载磁场的过程中，由电压模型通过测量在定子绕组中感应的三相感应电压（双绕组同步电机为三相合成电压），用电压矢量三角形法则准确计算出转子在定子坐标系的空间位置，此后便由电流模型在低速范围用计算编码器脉冲数来完成转子位置的测量跟踪。

1 矿井提升机大型同步电机转子定位技术说明

1.1 同步电动机转子位置的必要性

普通同步电机对定子电压或电流用矢量控制，既控制大小，又控制方向，改善了标量控制方式下转矩控制的性能。同步电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等） 都在空间以同步速旋转，它们在定子坐标系 （静止系） 上的各分量，即在定子绕组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方便。借助于坐标变换（3/2），使人从静止坐标系进入同步旋转坐标系，站在旋转坐标系上看，电动机各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上的各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控矢量（电压或电流等矢量）各分量间的关系（矢量分析），实时地算出转矩控制所需的被控矢量各分量的值（直流给定量）。由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，还需再经坐标变换，从旋转坐标系回到静止系（矢量分析），把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量（2/3变换），在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。因此，按磁场定向的旋转矢量控制的关键是定子的静止坐标系和磁通的旋转坐标系之间的坐标变换，而完成坐标变换的关键是确定两坐标系之间的夹角，即磁通位置角φs。隱极电机转子初始位置角λ0、负载角φL、和磁通位置角φs的关系如图1所示，凸极电机转子初始位置角λ0、负载角φL、和磁通位置角φs的关系如图2所示。根据图示，确定了转子初始位置角λ0、转动过程中的转子位置和负载角φL，就能实时地得到磁通位置角φs。

1.2 同步电动机转子定位的方法

（1）确定初始位置角λ0：矿井提升用的同步电机的起动是从建立空载磁场和检测转子初始位置开始的，励磁电流控制装置得到使能指令给电机励磁绕组输出空载励磁电流IE0（如图4a所示），diE/dt在定子各相绕组中产生不同的感应电压脉冲（如图4b所示）；感应电压脉冲的幅值和正负取决于电机转子相对于定各相绕组的空间位置。控制系统用矢量三角形法则准确计算出转子的初始位置；由于电机速度为零，定子电流没有使能，电机没有负载，所以负载角为零，这种情况下磁通位置角就等于转子的位置角（如图3所示）。

（2） 编码器对转子位置的跟踪测量。在电机转子初始位置确定之后，电机一旦旋转起来，就在该初始位置的基础上加上或者减去编码器A/B通道测量的位置，直至零脉冲信号到来复位位置计数，再重新开始从零计数，如图4c） 所示。

2 矿井提升机大型同步电机转子位置问题分析

由同步电机转子初始位置检测的原理和方法可以将定位过程分为初始定位和运行定位两个部分，应用中出现的故障也可以分为初始定位故障和运行位置跟踪故障两类。

2.1 转子初始定位类故障实例分析

（1）在空间有30度相移的双绕组同步电机控制系统中，要测定电机绕组系统2相对于电机绕组系统1的相位关系，不管电机的绕组系统2超前绕组系统1或者滞后绕组系统1，都要确保系统合成的电压矢量永远应该和绕组系统1的电压矢量相位相同，如图5所示。

图6所示为转子初始位置定位过程中的励磁电流实际值和磁通实际值，从记录的波形可以看出，在励磁电流达到空载励磁电流并稳定运行的过程中，定子电压实际值检测环节测量到了三相绕组的感应电压，但是磁通实际值只能达到70%左右，最后故障跳闸。分析原因为，由于该同步电机是双绕组系统电机，而且电机两套绕组空间相差30度；这种现象应该是绕组系统1和2相位关系错误导致定子三相感应电压实际值在电机矢量模型计算的磁通值和磁通位置角出现较大偏差，转子定位失败。

（2）由于转子初始位置检测是检测电机侧感应电压来计算的，所以同步电机定子绕组系统1和绕组系统2的功率电缆连接极性、电机定子主回路、电压实际值检测回路等任何环节的故障，都能引起反馈而来的电压实际值误差或者故障，从而导致转子初始位置检测失败。

如图7所示为电机两个定子平行绕组极性接反，在磁场建立过程中产生的感应电动势合成后接近于零，造成磁通实际值接近于零（图7磁通值仅4%左右），无法建立磁场也不能检测到电机转子的初始位置。

如图8所示为在磁场建立过程中电机六相定子绕组中产生的感应电动，检查发现定子一号系统A相电压缺失，这样的情形也是不能正确计算磁通值，无法准确检测到电机转子的初始位置。

2.2 转子初始定位类故障实例分析

（1）编码器的安装精度，可靠性和稳定性等直接影响转子位置检测的准确性。在调试和使用中由于码盘的原因引起的问题在矿山提升机同步电机传动中非常普遍，下图9所示为由于编码器机械安装不稳定，发生实际值突变引起速度实际值、转子位置变化，导致定子电流转矩分量阶跃的波形记录。

（2） 编码器的安装精度不够、齿轮间隙大、轴连接固定键销松动等都会造成电机转动过程中系统检测到的转子位置累积误差，而且这个误差会逐渐增大，直到超限故障跳闸，再次建立磁场重新对转子初始定位之后又能启动运行，但是新的累积误差又会出现，相对来说这种故障隐蔽性较强，发现问题的原因比较难。

如图10所示就是由于同步电机编码器的安装精度不够、间隙大，在加减速过程中累积误差大造成电流模型和电压模型磁通位置角的偏差超限的波形。可以与正常的加减速过程中负载角、电流电压模型磁通位置角偏差的波形进行（如图11所示）比较分析；从图10的波形可以明显看出，位置检测编码器的累积误差引起的两个模型的角度偏差达到了偏差角最大值的60%以上。

3 结语

矿井提升机同步电机的转子位置检测是传动控制系统的起始功能，又贯穿整个提升生产周期；由于该环节既涉及到电机绕组结构和功率电缆连接，又涉及到电压实际值检测和电机转动中转子位置检测，同时也与转子定位编码器的机械安装有关，是实际应用中故障率相对较高的环节，该环节的电气设备和技术直接影响到矿井的提升效率，更关乎到矿井提升的安全性。应加强对转子位置检测环节相关设备的深度维护和科学管理，才能为传动设备的稳定运行与日常的维护管理夯实基础。

参考文献：

[1]李崇坚.交交变频磁场定向控制同步电动机调速系统的研究[D].清华大学博士学位论文，1993.

[2]马小亮.交交变频交流调速[J].电气传动，1991（05）.

[3]SIEMENS.Cycloconverter，2002.