陈君宇， 张宏耀

(山西西山煤电股份有限公司 西曲煤矿， 山西 古交 030200)

0 引言

提升机是煤矿企业生产过程中的重要机械设备，布置于斜井或竖井中，主要用于对煤炭、设备和人员等进行井上和井下的往返运输。它作为矿井的“咽喉”要道，其工作状态直接影响到物料的运输效率和人员、设备安全。因此,提升机必须具备较高的稳定性和安全性。其中提升机的电控系统尤为发挥关键性的作用。

传统提升机调速采用串联电阻调速等方案，其电控系统体积大、接线复杂、耗能高、可靠性差，已逐渐被淘汰。随着电控技术的发展,以及人们对提升机性能要求的提高，新的提升机调速方案设计不断涌现[1-3]。本文着重对提升机的双馈电动机调速进行技术研究。

1 提升机电控系统性能要求

随着煤矿生产自动化程度和安全性要求的提高，对提升机的电控系统提出了以下性能要求：

1) 调速平稳，调节精度高。矿井提升机在运输不同物料时的负荷相差较大，且要求调速范围宽。为避免速度突变造成的冲击，要求调速过程更加平稳。同时,在调节精度上，主要对静态转差率具有一定要求，即保证电控系统根据不同负荷状况自动调节速度偏差。另外，还应避免在初始启动阶段出现下坠现象。

2) 四象限均可稳定运行。提升机有提升和下放两个方向的操作。而在单个操作中又分别有加速、匀速、减速、爬行和停车等过程，这要求电动机在正转或反转时都按设定程序进行驱动或制动作业，故电控系统需在四个象限内均稳定运行。

3) 故障监测能力可靠。可靠的故障监测是保证提升机稳定、安全、高效运行的基础。

4) 满足节能降耗需求。提升机启停运动频繁，电动机耗能较大。为降低企业的生产成本，应通过技术革新和进步不断降低电能损耗[4-6]。

在诸多新型提升机调速方案中，基于双变量交-交变频双馈调速的系统方案可显著降低用电能耗，提高生产效率，且调速更加平稳。

2 双馈调速的基本原理

双馈调速由串级调速理论发展而来。其中“双馈”是指将绕线转子异步电机的定子和转子绕组分别与交流电网连接，或者与其他含电动势的电路连接，由此可使电功率相互传递，这就是广义的双馈电动机。双馈调速中，矢量控制方法包括转子磁链定向、定子磁链定向和气隙磁链定向3种。通过分析研究，本文采用第一种方法，即将定子正常连接工频电网，而转子上施加一个附加电势，通过调节该附加电势的相关参数即可控制转速。具体原理如下：

双馈调速基本原理如图1所示。将由CU1和CU2组成的全控型功率变化单元与电动机转子相连，在不同工况下，CU1和CU2可实现逆变和整流功能的相互转换。例如当电动机正转，处于电动模式时，从电网输入功率驱动负载运转，则CU2负责整流，CU1负责逆变，如图1(a)所示；当电动机正转，处于发电模式时，负载拖动电动机运转，并由定子侧将电功率输出至电网，则CU1负责整流，CU2负责逆变,如图1(b)所示。由此构成的双向变频器可实现功率的双向传递。

(a) 电动模式

(b) 发电模式

3 转子磁链定向双馈调速方法研究

转子磁链定向技术中，转子的滑环与变频器相连，可实现对电网电能的提取和回馈。通过改变变频器的输出频率、输出电压相位、幅值等参数，可最终改变电动机的输出转速及功率因数等。

该型电动机的等效电路原理如图2所示。图2中:Es、Is、Rs、Xs分别为定子侧电压、电流、电阻和电抗；Er、Xm分别为励磁电抗值和励磁电抗产生的电压；Ea/s为转子回路中全控变频器产生的附加电动势；Ir、Rr分别为转子侧电流、转子绕组每相电阻；Xr为s=1时每相的漏抗，s为转差率。

图2 转子磁链定向双馈调速等效原理

转子侧电流Ir可表示为：

(1)

假设转子侧合成电动势∑Er=sEr±Ea，则式(1)可简化为：

(2)

1)Ea与sEr反相。当两者反相时，附加电动势Ea的接入使合成电动势∑Er减小，则流经转子的有功电流分量Irp和电磁转矩都相应减小。但由于转子上的负载扭矩不变，此时输出转速降低，转差率s由此增大。当转差率s增大至满足以下条件Er-Ea=sEr时，Irp不再变化，此时电磁转矩与负载扭矩重新平衡，该转差率记为s′。因此，当附加电动势Ea幅值越大时，转差率s′也越大，相应电动机转速也越低。

2)Ea与sEr同相。与式(1)原理相似，当两者同相时，合成电动势∑Er增大，电磁转矩增大，转差率s减小，转子转速增大。

由以上可知，通过调节变频器输出附加电动势的幅值和相位，可对电动机的转速进行调节。

4 双馈电动机调速控制系统组成

双馈电动机调速控制系统主要由提升容器位置检测传感器、PLC控制器、双馈电动机、逆变器、整流器、开关等组成,如图3所示。整流器可向逆变器提供一个恒定电压。逆变器则将该电压调制输出为特定幅值和相位的附加电源。传感器一般采用在电动机或减速机后安装旋转编码器，编码器可对旋转圆周进行计数，然后将该计数信号发送至PLC控制器。PLC控制器可计算出提升容器的实时位置，并由此控制逆变器和整流器工作，输出指定幅值和相位的附加电动势，由此控制提升容器的加速和减速过程。

图3 双馈电动机调速控制系统

5 调速控制过程

5.1 速度控制曲线

由于提升机需频繁上下运动和制动，故为减小设备冲击，兼顾安全性和运输效率要求，需设计合理的提升机运行速度曲线,如图4所示。提升机运动主要分为启动阶段、低速匀速阶段、主加速阶段、高速匀速阶段、减速阶段和停车阶段。

图4 提升机运动速度曲线

5.2 不同阶段的调速特点

1) 启动阶段。电磁力矩T的计算公式为：

(3)

式中:f为定子侧的电源频率;p为电机的极对数。

启动阶段中，Ea与sEr基本同相，当输出的附加电动势幅值增大时，转子电流Ir增大，电磁力矩T也增大，以实现快速启动。

2) 低速匀速阶段。当提升机启动一段时间后，改变附加电动势的相位方向，可减小转子电流和电磁力矩，直至与负载力矩相平衡，提升机开始匀速运动。

3) 主加速和高速匀速阶段。低速匀速运行一段时间后，可保持附加电动势的相反相位，但逐渐减小其幅值，则转子电流增加，转速会不断增大，处于主加速状态。随着转速不断增大，合成电动势不断减小，电磁力矩与负载转矩在一定状态下重新平衡，保持了此时的附加电动势不变，则提升机进入匀速运行。

4) 减速、停车阶段。此阶段中，通过降低附加电动势的幅值，可减小转子电流，并使合成电动势减小，从而实现减速和停车。

6 结论

提升机是保证煤矿安全和高效生产的重要机械设备。针对提升机调速中的双馈电动机调速方案，本文在分析了双馈调速基本原理的基础上，对其中的转子磁链定向双馈调速方法的电学原理及双馈电动机调速控制系统的组成结构进行了研究。最后,结合提升机速度控制曲线，对不同提升阶段的调速特点进行了分析。