李建紅

（西山煤電東曲煤礦， 山西　太原　030200）

引言

結(jié)合相關(guān)理論知識，以礦井提升機的工作特性為切入點，進行詳細分析，建立相應(yīng)的矢量控制數(shù)學模型，對矢量控制原理進行解讀，優(yōu)化拖動調(diào)速方案和調(diào)節(jié)器設(shè)計方案。同時，為了提高研究的實用性，進行具體案例分析，將理論與實踐結(jié)合在一起，使其相互印證。案例選擇為660 V等級的提升機，對于提升循環(huán)運行情況的仿真使用MATLAB模式。

1　異步電動機按轉(zhuǎn)子磁通定向的矢量控制設(shè)計

1.1　異步電動機交—直—交矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

在異步電動機交—直—交矢量控制系統(tǒng)主電路設(shè)計當中，整流器部分使用PWM形式的整流器，對于逆變器INU的接法要根據(jù)實際情況，使用三相橋模式保證系統(tǒng)的安全可靠。從結(jié)構(gòu)的角度分析，該結(jié)構(gòu)屬于兩電平拓撲結(jié)構(gòu)；從適用范圍的角度分析，適用于一些容量較小的場合。本文所選取660 V電壓等級的井下防爆絞車和矸石山絞車就是其主要的應(yīng)用對象，對于變頻器的輸出電壓設(shè)置要符合使用要求，將其設(shè)置為660 V，因此，橋臂開關(guān)器件設(shè)置過程中要保持與其他方面設(shè)計的協(xié)調(diào)性，使用1 700 V的IGBT，使用霍爾電流傳感器進行變頻器三相輸出電流的檢測。如果在實際工作中，主井和副井提升機容量較大，那么則需對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使用三電平的雙PWM拓撲結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示。

1.2　異步電動機矢量控制設(shè)計

關(guān)于異步電動機矢量控制的矢量圖設(shè)置過程（如圖2所示），磁鏈軸M的位置要精準且滿足需求，通常情況下將其設(shè)置在轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的軸線位置之上，用is來表示定子電流合成的空間矢量，主要包括isa、isb、isc三相定子電流，每相定子電流都具有其各自的特性，要對其進行針對性的分析和設(shè)計，保證其合理性。其中，對于三相定子電流的轉(zhuǎn)速設(shè)計，要具有統(tǒng)一性，滿足以同步速度ωs旋轉(zhuǎn)，并將d軸設(shè)置為轉(zhuǎn)子軸，旋轉(zhuǎn)速度為ωr。在坐標系方面，主要以靜止兩相坐標系為主，將其設(shè)置為αβ，在這一環(huán)節(jié)中，α軸要與三相定子繞組的a軸保持重合，還要保證轉(zhuǎn)子相對于定子繞組a軸的位置角度數(shù)合理，通常使用d軸與α軸的夾角λ來表示，而M軸與d軸之間的夾角屬于負載角，用θ來表示，這樣就可以得出磁鏈軸M相對于定子繞組a軸的空間位置角計算公式為 φs=λ+θ。

圖1　異步電動機交—直—交矢量控制系統(tǒng)主電路圖

圖2　異步電動機矢量控制的矢量圖

2　矢量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計

2.1　定子電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計

在具體設(shè)計過程中，可以從定子電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換成單位反饋系統(tǒng)兩方面對其進行分析。其中，ACR的輸出電壓可以用U＊A來表示，在PWM的作用下，會進行一定的調(diào)制，然后使用逆變器輸出，可以得到定子電壓UA，從U＊A到UA的整個轉(zhuǎn)換過程需要一定的處理程序，因此，產(chǎn)生一定的時滯。通過相關(guān)實驗，整個采樣周期時間不超過0.20 ms，影響較小，可以忽略。這樣一來，就可以將轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)視為放大環(huán)節(jié)，相關(guān)的放大倍數(shù)用KA表示，影響放大倍數(shù)的因素主要是調(diào)制系數(shù)。在電流檢測過程中，進行高頻分量的消除所采取的方法是濾波法，要保證濾波時間常數(shù)設(shè)置合理。通常情況下，濾波時間常數(shù)為開關(guān)器件開關(guān)周期的2倍，以0.20 ms為開關(guān)周期，濾波時間常數(shù)則為0.40 ms[2]。在異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路中，分析定子電流的影響時，可以假定轉(zhuǎn)子電勢為不變量，由此產(chǎn)生的電流模型矢量控制系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3　電流模型矢量控制系統(tǒng)圖

2.2　磁鏈調(diào)節(jié)器的設(shè)計

在設(shè)計磁鏈調(diào)節(jié)器過程中要合理確定積分系數(shù)和比例系數(shù)，分別用τψ、Kψ來表示，由于勵磁分量到電機轉(zhuǎn)子磁鏈間的幅值是一個1階慣性環(huán)節(jié)，且這一過程屬于大慣性環(huán)節(jié)，所以磁鏈調(diào)節(jié)器設(shè)計與電流調(diào)節(jié)器設(shè)計相同[3]，如圖4所示。

圖4　磁鏈環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計

在正向通道中，需要除以通過電流模型檢測到的電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，還要乘以通過電流模型檢測道德電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，對于兩者間產(chǎn)生的差值只能作為磁鏈的檢測慣性和電流反饋系數(shù)，如圖5所示。在這一過程中，產(chǎn)生的慣性時間相對較短，可以進行忽略，如果將磁鏈的電流反饋系數(shù)設(shè)置為1，那么就不需要考慮電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的影響[4]。

圖5　速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3　實例分析及系統(tǒng)仿真

首先對提升機電力拖動特點進行總結(jié)，具體包括以下幾點：其一，位勢負載；其二往復運轉(zhuǎn)；其三，對提升機的加速度、減速度和導數(shù)進行合理設(shè)置[5]。

然后使用MATLAB的相關(guān)工具進行矢量控制系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，在速度給定過程中，依據(jù)提升循環(huán)的理想速度曲線進行設(shè)計，分別對額定負載和輕載兩種情況進行仿真模型建立。此外，還要判斷電壓和電流波形的準確性。在仿真時，最大轉(zhuǎn)速為102 rad/s，先設(shè)置磁鏈，時間間隔為0.5 s，接下來進行額定負載下的提升循環(huán)仿真，加速時間為5 s，等速時間為0.5 s沒減速時間為0.5s，結(jié)果是等速階段的轉(zhuǎn)速為102rad/s，爬行速度為3 rad/s，轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩基本相同，電壓和電流波形正常，證明該設(shè)計的合理性。

4　結(jié)語

對于礦井提升機異步電動機的矢量控制系統(tǒng)設(shè)計，要根據(jù)實際情況，結(jié)合有關(guān)的理論，保證其參數(shù)的準確性。本文的案例研究就證明了設(shè)計方案的準確性。

[1]吳燕翔，張朝君，劉雨青，等.基于礦井提升機模糊PID矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計仿真[J].煤炭工程，2013，45（8）：124-126.

[2]張貞艷，左瑞.礦井提升機的無速度傳感器矢量控制[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27（6）：142-143.

[3]李瑾.礦井提升機雙饋轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2016，37（1）：35-37.

[4]徐杰，陳磊，王運強.基于矢量控制的礦井提升機研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，6（3）：94.

[5]曹建全，黃明.混合PS0算法優(yōu)化異步電機矢量控制參數(shù)在礦井提升機的應(yīng)用[J].煤礦機械，2012，15（4）：206-208.