溫建軍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 礦井提升機電力傳動的發(fā)展

礦井提升機從電力傳動而言，可分為交流傳動和直流傳動兩大類。我國在上世紀(jì)80年代之前，絕大多數(shù)礦井提升機采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流傳動方式，而少數(shù)則采用發(fā)電機—電動機組直流調(diào)速系統(tǒng)，曾稱F-D 系統(tǒng)。隨著礦井的規(guī)模越來越大，對一些要求提升容量大，速度快的中，大型礦井，提升機一般采用采用電樞可逆或磁場可逆的晶閘管直流供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。而隨著世界電力半導(dǎo)體技術(shù)和交流同步機傳動的開發(fā)和生產(chǎn)，礦井提升機傳動裝置又向交流傳動方式發(fā)展，一些礦井提升機開始采用大容量交-直-交變頻器和交一交變頻器供電的交流傳動系統(tǒng)。

2 礦井提升機改造方案的發(fā)展

隨著電力電子技術(shù)、變頻技才壞口微型計算機控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣傳動技術(shù)進入了一個新的階段。特別是矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流傳動系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)了電氣傳動的潮流，采用高性能的交流傳動系統(tǒng)進行交流提升機的改造是極富吸引力的。

先進的交流拖動方式可以有兩種:交，，直，扭交變頻器拖動和交一交變頻器拖動。從實際情況來看，現(xiàn)場使用的交流電動機均為高壓(6000V)電動機，且電機使用的頻率為50Hz。

由于交變頻器的輸出頻率最高為十幾赫茲，要長期運行于低頻狀態(tài)非使用低頻電機不可。因此，該方案不能用于交流提升機的改造。采用交一直，交變頻器要有四象限運行能力，而且變頻器的輸出電壓要達到高壓電機的要求。

在礦井交流提升機的拖動控制改造方面，國內(nèi)的許多單位和一些專家也作出了許多努力。對礦井交流提升機的電控系統(tǒng)用可編程控制器進行改造，代替了原來的繼電器控制，多級切電阻，低頻制動。此外將磁力站的接觸器換為真空接觸器或雙向晶閘管，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了噪音，改造后的效果是顯著的。但這些方案仍要串電阻，無法解決無級調(diào)速和節(jié)能的問題。

3 傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的原理

傳統(tǒng)的串級調(diào)速原理圖如下圖所示。

在上圖中，D 為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，B為逆變變壓器，Z 為轉(zhuǎn)子三相不可控橋，N 為三相橋式有源逆變器，Ld 為平波電抗器，G 為脈沖觸發(fā)器。兩個整流裝置電壓Ud 與Ui的極性以及直流回路電流I的方向如圖中所示。異步電機轉(zhuǎn)子相電動勢經(jīng)三相不可控整流裝置z 整流，輸出直流整流電壓Ua。工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置N 除提供可調(diào)的直流電壓Ui 作為調(diào)速所需的附加直流電動勢外，還可將經(jīng)Z 整流后輸出的異步電機轉(zhuǎn)差功率逆變成交流，并回饋到交流電網(wǎng)。

串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)與系統(tǒng)中的異步電機、不可控整流器以及逆變器三大部分有關(guān)。異步電機的功率因數(shù)由其本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、負載大小以及運行轉(zhuǎn)差率而定。逆變器是利用移相控制改變其輸出的逆變電壓，使其輸入電流與電壓不同相，消耗了無功功率，逆變角越大，消耗的無功功率也越大。在給定的逆變角下，串級調(diào)速系統(tǒng)從交流電網(wǎng)吸收的總有功功率是電機吸收的有功功率與逆變器回饋至電網(wǎng)的有功功率之差;然而從交流電網(wǎng)吸收的總的無功功率卻是電機和逆變器所吸收的無功功率之和。隨著電機轉(zhuǎn)速的降低，所吸收的無功功率雖然減小了，但從電網(wǎng)所吸收的總有功功率也減小了，結(jié)果使系統(tǒng)在低速時的功率因數(shù)更差。

4 IGCT 吸收電路及驅(qū)動電路說明

IGCT 吸收及驅(qū)動電路原理框圖如下圖所示，吸收電路由R，C，D 組成，其中二極管采用ABB 公司配套快恢復(fù)二極管。其主要作用是吸收IGCT 開關(guān)過程中的尖峰電壓，以保護IGCT 免被電壓擊穿。觸發(fā)電路是由光電轉(zhuǎn)換電路和開關(guān)電源組成。開關(guān)電源為IGCT 提供20V 直流電源;同時為光電轉(zhuǎn)換電路提供5V直流電源。輸入信號的高電平為5V--1 V，低電平為0V;當(dāng)輸入信號為低電平日叔GCT 導(dǎo)通，為高電平時IGCT 關(guān)斷，輸入信號的幅值不得超過5V--1V。

5 系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)介紹與流程圖

在研究了系統(tǒng)的控制策略、控制算法和軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對系統(tǒng)中需要的程序進行了設(shè)計。在設(shè)計過程中使用的語言是DSP 特有的匯編語言。根據(jù)需要，系統(tǒng)中要有主程序，中斷處理程序，PIE 算法，電流環(huán)控制不與療，速度環(huán)控制程序等程序。在程序設(shè)計時，根據(jù)每個模塊的特點，需要畫出每個模塊的不到字流程圖。因為，流程圖較多，在這里只對關(guān)鍵的環(huán)節(jié)進行分析討論。主程序流程圖如下圖：

因為，系統(tǒng)用DSP 控制來實現(xiàn)對交流調(diào)速的控制，有很多原來由硬接線完成的工作用程序來實現(xiàn)，如雙環(huán)系統(tǒng)中電流和轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)過程在本系統(tǒng)中用程序?qū)崿F(xiàn)。

6 控制系統(tǒng)的仿真

6.1 動態(tài)仿真工具SIMULINK

SIMULINK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。它為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，使得建模就像用紙和筆來畫畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。SIMULINK 允許用戶定制和創(chuàng)建自己的模塊。

用SIMULINK 創(chuàng)建的模型是分層的，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建更復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型。用戶可以從高級查看模型，然后雙擊模塊來查看下一級中更詳細的內(nèi)容。這種方法使得用戶可以深入地理解模型的組織結(jié)構(gòu)和各部分是如何相互作用。在建成模型結(jié)構(gòu)后，就可以啟動系統(tǒng)仿真功能來分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。仿真結(jié)果可以用圖形的方式顯示在類似示波器的窗口內(nèi)(SCOPE 顯示模塊);也可以將輸出結(jié)果以變量的方式保存起來，并輸入到MATLAB 內(nèi)，以做進一步的分析。由于MAZLAB 和SIMULINK 是集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進布于仿真、分析和修改。

在SIMULINK 模塊庫中，其中有一個電力系統(tǒng)工具箱伊（owerSystem)。這是基于圖形編程的電路仿真軟件，使用者不需要自己編程，只需將仿真的電路畫在工作窗口中便可進行仿真研究。利用電力系統(tǒng)工具箱對電路進行仿真實驗，只需將所需元件模型拖入工作窗口并設(shè)置元件的參數(shù)，然后根據(jù)仿真電路的拓撲結(jié)構(gòu)連好線路，仿真模型便自動完成。因此，仿真模型的建立過程就是對各元件模塊設(shè)定參數(shù)的過程，電路的建模比較簡便，對于一些復(fù)雜的電路，如交直流傳動系統(tǒng)、電力輸變電系統(tǒng)等，都可以用MATLAB 進行仿真。

6.2 系統(tǒng)的建模

利用Simulink 和Power system 工具箱，然后按系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)關(guān)系連接起來即可得到繞線式異步電動機斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如下圖所示。

6.3 仿真結(jié)果分析

從系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出，穩(wěn)態(tài)時仿真系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速能夠?qū)崿F(xiàn)對給定轉(zhuǎn)速的良好跟隨，且穩(wěn)態(tài)無差;而在動態(tài)過渡過程中，仿真系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速對階躍給定信號的跟蹤有一定的偏差。

[1]盧燕.礦井提升機電力拖動與控制，冶金工業(yè)出版社，2001年

[2]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)，機械工業(yè)出版社，1998年