基于交-直-交变频器的矿井提升机应用系统设计

2022-03-24周伯豪

机械管理开发 2022年1期

周伯豪

（霍州煤电集团沁安煤电有限责任公司，山西霍州 031400）

引言

矿井提升机作为提高煤炭安全生产的关键设备之一，其能否安全稳定、可靠高效运行在于其控制系统设计，在各个参数控制中，尤以速度控制较为重要[1]。目前矿井提升现场大多使用异步电动机和低速直驱同步电动机，而煤矿提升作业中广泛采用低频电源交-交变频和交流绕线异步电动机串电阻调速的方法进行，但是两者难以调节电压谐波分量、能耗大、功率因数过低等问题，因此需要设计一种调速方案，其在确保驱动电流动态性能良好、抗干扰能力强的情况下，实现矿井提升机系统的高效率控制[2]。

1 煤矿提升机及其调速方式选择

为确保提升工作安全进行，煤矿提升机系统主要由主轴承、减速器、制动系统、深度指示器、主轴装置、联轴器、电动机七部分组成，具体如图1 所示。其中主轴承及其附属卷筒、基座等，主要完成负载力矩输出并达到提升物品的目的；减速器通过调节齿轮转速比，完成输出力矩的调节，从而调整提升速度；制动系统作为平稳控制执行单元停止的装置，主要由盘式制动器组成；深度指示器可以准确反映提升机当前位置；联轴器可以补偿两轴之间的偏斜量，减少运行冲击[3]。

图1 煤矿提升机系统组成

为便于对煤矿提升负载进行控制，需要使用交-直-交变频技术的调速系统，相对于其他方式，其具有以下优点[4]：主电路无须功率补偿、快速熔断等，结构简单；无功功率变换情况，功率因数较大；因不涉及无功变换，对电网造成的压降损失较小；对电网谐波不污染，不产生多余的电网谐波。特别是采用优化脉冲ARU 时，输出电压与电流的相位基本一致，功率因数可以达到1，谐波成分很低，相较于其他驱动方式有着极大的技术优势[5]。

2 系统硬件电路设计

2.1 PWM 调速原理

根据面积等效原理，利用脉冲宽度调制技术可以实现对整流电路的精确控制，如图2 所示为PWM三相整流电路。通过控制晶闸管V1～V6的开通关断状态，和滤波电容C 的大小，可以实现在不同负载RL的情况下对电压ud的平稳控制，以交流侧a 相为例，其满足以下条件[6]：

图2 PWM 三相整流电路

式中：upa为调制电压，V；ia为交流电流，A；ea为交流侧电压，V；R 为回路总电阻，Ω；L 为包括电源漏电感及滤波器电感在内的回路整体电感，H。通过调节upa的相位方向和大小，可以实现系统在整流状态、容性负载状态、逆变状态、感性负载状态等不同状态下的调节。

2.2 同步电机矢量控制原理

通过改变调制电压upa可以实现对PWM 整流器的控制，可以通过改变幅相或矢量的方式完成控制[7]。其中在煤矿等应用环境下，利用矢量控制原理进行同步电动机控制原理如图3 所示，主要分为同步电动机、速度位置处理模块、PI 调节模块、Park 逆变换模块、Clarke 逆变换模块和多电平PWM 调制模块六大部分。根据给定速度（给定频率）与实时反馈值之间的偏差得到速度偏差，根据实时位置信息，并经过PI 调节后根据转子位置电气角度进行Clarke及Park 变换，输出电流及电压偏差，并经过多电平PWM 模块调节，完成对逆变器的控制，从而驱动电动机旋转。其中在电动机转子端安装有高速旋转编码器，实现对其速度位置信息的精确测量和控制[8]。

图3 电机矢量控制原理图

2.3 全冗余矿井提升机应用控制系统设计

为实现4 500 kW 以上拖动系统的控制，驱动JKM-5.0 多绳摩擦提升机，设计如图4 所示的全冗余双电机提升机电控系统。全系统由滚筒、电动机、变频器、旋转编码器、信号传感器、电控系统等组成，在变频器1 和变频器2 的联合驱动作用下，滚筒发生转动，带动装在电动机末端的旋转编码器，从而实现对其转动速度的测量；同时在提升轨道上安装有位置信号传输装置，能够精确反映提升机的实时位置，并反馈给电控系统[9]。两台变频器互为保障，当一台出现故障时，另一台可以迅速切换至检修状态，确保系统安全平稳运行。

图4 全冗余矿井提升机应用控制系统电气连接图

3 软件系统设计

3.1 提升系统工作流程

为实现煤矿井下货物提升，煤矿提升机运行流程如图5 所示，当系统负载处于正常状态时，货物安装完毕后，进行电机启动加速，随后系统处于等速运行状态，稳步提升货物，持续一段时间后，开始进入减速运行状态，当提升至终点附近时，之后处于低速爬行状态，并在终点附近进行停止动作，完成停车卸载工作，并结束提升工作。不同的运输货物其速度也不相同，其中货物运输为9 m/s，人员运输为5 m/s，下长材运输为1.5 m/s，系统检修时为0.3 m/s。

图5 提升系统货物运输流程图

3.2 矢量控制系统软件功能组成

为实现对矿井提升装置提升过程的精确控制，需要完成交-直-交矢量控制系统的软件设计，其功能组成如图6 所示，主要由参数采样模块、电压模型等8 个功能区组成，其具体功能如下：

图6 交-直-交矢量控制系统软件功能组成

参数采集模块，负责完成系统实际电压、电流、位置、转速等参数测量，并将其引入控制系统；磁通电压调节模块，负责对同步电机的磁通进行闭环调节；直流调节模块，负责计算定子前馈补偿电压给定值；功率因数控制模块，负责控制系统整体功率因数，使之更接近于1；电压计算模型，负责根据参数采集模块数据完成磁通量和角度测量及观测；电流计算模型，负责计算定子电流的磁通和转矩分量等关键信息；定位角选择，负责根据不同运行状态完成最优磁通角的选择；励磁电流监控模块，确保在负载变化情况下，励磁电流不会突变为零[10]。