矿井提升机交流电机系统探析

温建军

（内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010）

1 矿井提升机电力传动的发展

矿井提升机从电力传动而言，可分为交流传动和直流传动两大类。我国在上世纪80年代之前，绝大多数矿井提升机采用绕线转子异步电动机转子回路串电阻的交流传动方式，而少数则采用发电机—电动机组直流调速系统，曾称F-D 系统。随着矿井的规模越来越大，对一些要求提升容量大，速度快的中，大型矿井，提升机一般采用采用电枢可逆或磁场可逆的晶闸管直流供电的直流调速系统。而随着世界电力半导体技术和交流同步机传动的开发和生产，矿井提升机传动装置又向交流传动方式发展，一些矿井提升机开始采用大容量交-直-交变频器和交一交变频器供电的交流传动系统。

2 矿井提升机改造方案的发展

随着电力电子技术、变频技才坏口微型计算机控制技术的迅猛发展，电气传动技术进入了一个新的阶段。特别是矢量控制技术的出现，使得交流传动系统领导了电气传动的潮流，采用高性能的交流传动系统进行交流提升机的改造是极富吸引力的。

先进的交流拖动方式可以有两种:交，，直，扭交变频器拖动和交一交变频器拖动。从实际情况来看，现场使用的交流电动机均为高压(6000V)电动机，且电机使用的频率为50Hz。

由于交变频器的输出频率最高为十几赫兹，要长期运行于低频状态非使用低频电机不可。因此，该方案不能用于交流提升机的改造。采用交一直，交变频器要有四象限运行能力，而且变频器的输出电压要达到高压电机的要求。

在矿井交流提升机的拖动控制改造方面，国内的许多单位和一些专家也作出了许多努力。对矿井交流提升机的电控系统用可编程控制器进行改造，代替了原来的继电器控制，多级切电阻，低频制动。此外将磁力站的接触器换为真空接触器或双向晶闸管，提高了系统的可靠性、降低了噪音，改造后的效果是显著的。但这些方案仍要串电阻，无法解决无级调速和节能的问题。

3 传统串级调速系统的原理

传统的串级调速原理图如下图所示。

在上图中，D 为绕线转子异步电动机，B为逆变变压器，Z 为转子三相不可控桥，N 为三相桥式有源逆变器，Ld 为平波电抗器，G 为脉冲触发器。两个整流装置电压Ud 与Ui的极性以及直流回路电流I的方向如图中所示。异步电机转子相电动势经三相不可控整流装置z 整流，输出直流整流电压Ua。工作在逆变状态的三相可控整流装置N 除提供可调的直流电压Ui 作为调速所需的附加直流电动势外，还可将经Z 整流后输出的异步电机转差功率逆变成交流，并回馈到交流电网。

串级调速系统的功率因数与系统中的异步电机、不可控整流器以及逆变器三大部分有关。异步电机的功率因数由其本身的结构参数、负载大小以及运行转差率而定。逆变器是利用移相控制改变其输出的逆变电压，使其输入电流与电压不同相，消耗了无功功率，逆变角越大，消耗的无功功率也越大。在给定的逆变角下，串级调速系统从交流电网吸收的总有功功率是电机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差;然而从交流电网吸收的总的无功功率却是电机和逆变器所吸收的无功功率之和。随着电机转速的降低，所吸收的无功功率虽然减小了，但从电网所吸收的总有功功率也减小了，结果使系统在低速时的功率因数更差。

4 IGCT 吸收电路及驱动电路说明

IGCT 吸收及驱动电路原理框图如下图所示，吸收电路由R，C，D 组成，其中二极管采用ABB 公司配套快恢复二极管。其主要作用是吸收IGCT 开关过程中的尖峰电压，以保护IGCT 免被电压击穿。触发电路是由光电转换电路和开关电源组成。开关电源为IGCT 提供20V 直流电源;同时为光电转换电路提供5V直流电源。输入信号的高电平为5V--1 V，低电平为0V;当输入信号为低电平日叔GCT 导通，为高电平时IGCT 关断，输入信号的幅值不得超过5V--1V。

5 系统软件的整体结构介绍与流程图

在研究了系统的控制策略、控制算法和软件结构的基础之上，对系统中需要的程序进行了设计。在设计过程中使用的语言是DSP 特有的汇编语言。根据需要，系统中要有主程序，中断处理程序，PIE 算法，电流环控制不与疗，速度环控制程序等程序。在程序设计时，根据每个模块的特点，需要画出每个模块的不到字流程图。因为，流程图较多，在这里只对关键的环节进行分析讨论。主程序流程图如下图：

因为，系统用DSP 控制来实现对交流调速的控制，有很多原来由硬接线完成的工作用程序来实现，如双环系统中电流和转速环节的比例积分调节过程在本系统中用程序实现。

6 控制系统的仿真

6.1 动态仿真工具SIMULINK

SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，使得建模就像用纸和笔来画画一样容易。它与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK 允许用户定制和创建自己的模块。

用SIMULINK 创建的模型是分层的，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构来创建更复杂的控制系统模型。用户可以从高级查看模型，然后双击模块来查看下一级中更详细的内容。这种方法使得用户可以深入地理解模型的组织结构和各部分是如何相互作用。在建成模型结构后，就可以启动系统仿真功能来分析系统的动态特性。仿真结果可以用图形的方式显示在类似示波器的窗口内(SCOPE 显示模块);也可以将输出结果以变量的方式保存起来，并输入到MATLAB 内，以做进一步的分析。由于MAZLAB 和SIMULINK 是集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进布于仿真、分析和修改。

在SIMULINK 模块库中，其中有一个电力系统工具箱伊（owerSystem)。这是基于图形编程的电路仿真软件，使用者不需要自己编程，只需将仿真的电路画在工作窗口中便可进行仿真研究。利用电力系统工具箱对电路进行仿真实验，只需将所需元件模型拖入工作窗口并设置元件的参数，然后根据仿真电路的拓扑结构连好线路，仿真模型便自动完成。因此，仿真模型的建立过程就是对各元件模块设定参数的过程，电路的建模比较简便，对于一些复杂的电路，如交直流传动系统、电力输变电系统等，都可以用MATLAB 进行仿真。

6.2 系统的建模

利用Simulink 和Power system 工具箱，然后按系统的电气结构关系连接起来即可得到绕线式异步电动机斩波串级调速系统的仿真模型如下图所示。

6.3 仿真结果分析

从系统仿真结果可以看出，稳态时仿真系统的实际转速能够实现对给定转速的良好跟随，且稳态无差;而在动态过渡过程中，仿真系统的实际转速对阶跃给定信号的跟踪有一定的偏差。

[1]卢燕.矿井提升机电力拖动与控制，冶金工业出版社，2001年

[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统，机械工业出版社，1998年