煤矿提升机交流电动机变频控制应用

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　　[摘 要]矿井提升机是矿山企业的关键机电设备，对矿井的生产及安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意义。由于提升机的生产工艺要求比较高，所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。本文针对矿井提升机对电力拖动系统的要求，论述了几种常用矿井提升机电力拖动方案的工作原理、有点及不足之处，通过比较得出双PWM交—直—交变频调速最具优势的结论。
　　中图分类号：J51-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0190-01
　　一、方案比较：
　　1、交交变频电路：
　　1）、电路构成和基本工作原理：电路有P组和N组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路相同。变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流 为正，N组工作时， 为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率 。改变交流电路工作时的控制角 ，就可以改变交流输出电压的幅值。
　　2）、交交变频电路的优缺点：交交变频电路的优点是：只用一次变流，效率较高可方便实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。缺点是：接线复杂，如采用三相桥式电路的三相交交变频器至少要用36只晶闸管；受电网频率和变流脉冲数的限制，输出频率低；输入功率因数低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。
　　2、矩阵式变频电路：
　　1）、电路构成和基本工作原理：矩阵式变频器是近年来出现的一种新颖的变频电路，这种电路也是一种直接变频电路。电路使用全控型开关器件，控制方式不是传统的相控方式，而是斩控方式。
　　该种变流器是一个由交流开关组成的矩阵，它允许从任意输入相到任意输出相的连接。这些开关经PWM控制产生输出基波电压，并可以改变基波电压的幅值和频率来控制一台交流电机。在任一瞬间，每组（一共三个开关）只有一个开关闭合，共有23种可能的开关状态。
　　2）、矩阵式变频电路的优缺点：矩阵式变频电路的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；输入电流也可控制为正弦波且可以和电压同相，功率因数为1，也可以控制为需要的功率因数；能量双向流动，适用于交流电动机的四象限运行。缺点：目前看来，矩阵式变频电路所用的开关器件为18个，电路结构复杂，成本较高，控制方法还不算成熟；电路的输出输入最大电压比只有0.866.用于交流电机调速时输出电压偏低。
　　3、交直交变频电路：
　　1）、电路构成和基本工作原理：交—直—交变频器的工作原理是：先通过整流器将工频交流电变换成直流电，再通过逆变器将直流电变成交流电。变频器输出的交流电的幅值和频率均可调节。交直交变频器由整流环节、直流环节和逆变环节3部分构成。
　　整流环节6个晶闸管构成三相桥式可控整流电路，采取自然换相方式。整流电路的作用是：将三相交流电整流整流成幅值可调的直流电 ，其中 幅值的调节是通过调节晶闸管的控制角 的大小来实现的， 角越小， 就越大，两者的关系用公式可控整流电路接电感型负载： 。这种变频器属于电压型；逆变电路的作用是将直流电 逆变成频率可调的三相交流电。
　　2）、交直交变频电路的优缺点：此电路采用电压型变频方式，这是变频器中最常用的一种方式。变频器输出的三相电压幅值和频率的调节方法。幅值的调节方法在整流环节中完成，通过调节整流管 ～ 的控制角 的大小来实现；频率的调节方法在你便环节中完成，通过调节逆变管 ～ 的触发脉冲的频率的大小来实现。触发脉冲的频率增加，则输出电压的频率会增加。特点是：输出电压的幅值和频率的调节在不同环节中完成。整流管和逆变管均由晶闸管构成，而生产和使用晶闸管的技术已经很成熟。
　　二、电机拖动方案：
　　目前正在应用的矿山电力拖动系统方案有晶闸管供电的直流电动机调速、晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制方案、交流电动机双PWM交一直一交直接转矩腔制系统等。
　　1、晶闸管供电的直流电动机调速系统（V-M 系统）：由直流电动机的转矩公式可知改变直流电动机的转矩 极性有两种方法，一是改变电流 的极性，称为电枢换向方案；二是改变励磁电流 的极性，称为磁场换向方案。改变直流电流极性的V-M调速系统结构如图1-5所示。在使用时通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。
　　这种拖动系统的特点是调速性能好（可实现无静差调速）、运行效率高（变流器的效率可达0.96以上）。但这种方案功率因数低、谐波电流大、会对电网造成污染，影响电网的电能质量，干扰了其它设备的正常运行。所以当系统处于深度调速状态，晶闸管导通角很小的时候，要添置无功补偿和谐波滤波装置。
　　2、晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制系统：为了解决大容量矿井提升机V-M直流调速系统存在的缺点，德国西门子等公司开发了晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制系统。由两组晶闸管反并联构成单相交一交变频电源，变频器的输出频率在7Hz以下，改变三相变频器的输出频率即可改变同步电动机的转速。采用矢量控制技术对三相定子电流幅相进行控制，从而控制电动机的转矩。这种方案的电网侧功率因数低、谐波电流大，对电网的污染严重。
　　3、双PWM交一直一交变频调速方案：同步电动机双PWM交一直一交变频调速系统ARU为PWM可逆整流器，电网侧的功率因数近似为1，能够将交流电源的能量转变成直流电能，也可以把直流侧的电能逆变成交流电回馈电网。交流侧的电流波形接近正弦波，谐波電流较小。INU为PWM逆变器，它将直流电逆变成三相交流电供给同步电动机的定子绕组，为了改善对矿井提升机的转矩控制的性能，可采用直接转矩控制方案，扭矩响应时间达到3.5ms （ABB公司），转矩脉动分量也大大减小。
　　三、结论：
　　双PWM结构是提高电气传动系统传动性能和功率变换性能的有效方法，这种结构的交一直一交变频调速与晶闸管交一交变频同步电动机矢量控制调速系统相比具有功率因数高、谐波电流小，对电网污染小的显著优点，与晶闸管供电的直流调速系统相比，这种方案不但具有电源变换的优势，还具有电机的优势。因此，在目前技术水平下，双PWM交一直一交变频调速方案是最优控制方案。
　　参考文献：
　　[1]国家煤矿安全监察局著，煤矿安全规程，煤炭工业出版社，2016年。
　　[2]西奥多·威尔迪著，电机、拖动及电力系统（原书第六版），机械工业出版社。
　　[3]李智明著，电气控制与PLC及变频器技术应用，大连理工大学出版社，2013.7。
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