李劍波

摘 要：為了解決原有刮板輸送機啟動波動大、穩(wěn)定性差的問題，本文介紹了一種基于高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機初始位置監(jiān)測法，給出高頻脈振電壓注入法的檢測原理，并利用Matlab仿真模擬對基于1/F和基于高頻脈振電壓注入法啟動的電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比，驗證了基于高頻脈振電壓注入法啟動的優(yōu)越性，為刮板輸送機的電機啟動作出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機;仿真模擬;永磁同步電機

1 前言

刮板輸送機是綜采工作面運輸?shù)闹饕獧C械設(shè)備，其具有大距離、大功率及高速度的特點。但由于低速異步電機技數(shù)多，輕載電流大，功率因素低的問題使得電機的維護(hù)成本增加，使得礦山的經(jīng)濟(jì)效益下降。為了解決此類問題，許多學(xué)者對刮板輸送機電機進(jìn)行研究，永磁同步電機由于采用多永磁勵磁，可以有效的提升電機的效率及功率因素。本文基于大功率永磁同步電機對刮板輸送機進(jìn)行設(shè)計，有效的提升了刮板輸送機的效率且實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，為礦山的經(jīng)濟(jì)效益作出一定的貢獻(xiàn)。

2 高頻脈振電壓注入法分析

刮板輸送機的調(diào)速裝置主要由交流電機及變頻器組成，在礦井的高瓦斯環(huán)境中，調(diào)速裝置必須具有防爆的能力，永磁同步電機的定子結(jié)構(gòu)與普通的交流電機基本類似，但其轉(zhuǎn)子是采用永磁體結(jié)構(gòu)形成的轉(zhuǎn)子磁鏈，永磁同步電機按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為表貼式和內(nèi)置式。同時由于刮板輸送機的工況使得永磁電機必須具有無位置傳感控制的能力，所以基于脈沖電壓注入法對電機的初始位置進(jìn)行檢測，對電機靜止時轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測，以達(dá)到實時監(jiān)測刮板輸送機運行情況。

在進(jìn)行帶式輸送機啟動后，需要對永磁同步電機的基本位置進(jìn)行確定，且在檢測的過程中需要保證電機的靜止。所以需要基于脈沖電壓注入法對永磁同步電機進(jìn)行位置檢測。脈沖電壓注入法檢測原理圖如1所示。

如圖1脈沖電壓注入法檢測原理圖可以看出，在電機的定子端輸入振幅為usm的電壓矢量n1個，同時在n1Tc至n2Tc時間段內(nèi)不進(jìn)行電壓矢量的注入，此時需要確保永磁同步電機的定子自由衰退，達(dá)到零值。如圖2為注入電壓矢量的順序圖。

如圖2注入電壓矢量順序圖可以看出，注入的6個電壓矢量的注入角度分別為0°、60°、120°、180°、240°和300°，選取定子電量幅值最大值的角度θ1*，如圖2（b）可知注入2個電壓矢量，注入的角度為θ1*-30°和θ1*+30°，此時對比三個角度注入的電壓矢量電流幅值，選定幅值的最大值作為θ2*，如圖2（c）為θ2*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ2*-15°和θ2*+15°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ3*，如圖2（b）為θ3*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ3*-7.5°和θ2*+7.5°，樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ4*，如圖2（e）為θ4*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ4*-3.75°和θ4*+3.75°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ5*，如圖2（f）為θ5*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ5*-1.875°和θ5*+1.875°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ6*，如圖2（g）為θ6*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ2*-0.94°和θ2*+0.94°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ7*，此時θ7*則為轉(zhuǎn)子的初始位置?？梢钥闯龌诿}沖電壓注入法測得的永磁同步電機初始位置的方法檢測精度為0.94°，檢測的精度較高，同時檢測精度也受到采集電流精度的干擾。

3 仿真模擬

為了檢測永磁同步電機調(diào)速方案的可行性，在Matlab軟件中進(jìn)行仿真研究，永磁電機的仿真參數(shù)分別為電機極對數(shù)30;電機的額定轉(zhuǎn)速為60r/min;電機的額定功率、額定電壓及額定電流分別為630kW、1140V和330A。同時為了驗證刮板輸送機的重載啟動性能，設(shè)置電機的啟動復(fù)載轉(zhuǎn)矩為40kN/m，同時電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.8倍，所有最大啟動轉(zhuǎn)矩180kN/m。啟動的電機轉(zhuǎn)速為5r/min，電機啟動采取1/F的啟動方式進(jìn)行仿真。當(dāng)采用1/F的啟動方式啟動時，保持啟動的電流恒定，此時的隨著電機啟動時間的增大，電機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出在5s內(nèi)的快速上升趨勢，在時間為5s時，此時的的電機轉(zhuǎn)速度為5r/min，達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，基于1/F的刮板輸送機啟動時間較長，在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，電機的轉(zhuǎn)速持續(xù)保持在5r/min并產(chǎn)生一定的波動，波動幅度較大。同時觀察基于1/F的刮板輸送機啟動轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出在相同的電流下電機的啟動轉(zhuǎn)矩波動較大，這是由于電流的輸入角度與實際電機的轉(zhuǎn)子初位處在較大的偏差，所以造成電機的啟動轉(zhuǎn)矩小于額定的啟動轉(zhuǎn)矩，電機啟動時間較長，啟動效果較差?；诟哳l脈振電壓注入法的刮板輸送機啟動波形圖如圖3所示。

如圖3所示為基于高頻脈振電壓注入法啟動轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出當(dāng)采用高頻脈振電壓注入法啟動方式啟動時，保持啟動的電流恒定，此時的隨著電機啟動時間的增大，電機轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出在3s內(nèi)的快速上升趨勢，在時間為3s時，此時的的電機轉(zhuǎn)速度為5r/min，達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，可以看出高頻脈振電壓注入法較于1/F的刮板輸送機啟動時間有了明顯的縮減，在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，電機的轉(zhuǎn)速持續(xù)保持在5r/min并不會出現(xiàn)波動情況。同時觀察基于高頻脈振電壓注入法刮板輸送機啟動轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出在相同的電流下電機的啟動轉(zhuǎn)矩瞬間達(dá)到最大值，這是由于電流的輸入角度與實際電機的轉(zhuǎn)子初位處誤差較小，電機的位置得到較好的監(jiān)測，啟動效果較好?？梢钥闯龌诟哳l脈振電壓注入法對電機的啟動有了較好的優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文結(jié)合刮板輸送機實際運行情況，研究了高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機定子初始位置檢測法，介紹了高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機定子初始位置檢測法的原理，并基于仿真模擬對基于1/F啟動刮板輸送機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的波形圖進(jìn)行分析，給出了啟動的不足，并仿真模擬了基于高頻脈振電壓注入法啟動波形圖，發(fā)現(xiàn)基于高頻脈振電壓注入法的電機啟動具有啟動時間短、波動小、穩(wěn)定性強的優(yōu)點。為刮板輸送機的電機優(yōu)化作出一定的貢獻(xiàn)。