煤矿提升机交流拖动系统简介

煤矿提升机交流拖动系统简介

王守军

（淮南矿业集团生产部，安徽 淮南 232000）

摘要：大容量（≥3000kW）矿井提升机系统中传动方式多采用交流传动。高性能交流传动方案主要有两种：交-交变频传动和交-直-交变频传动。作为一种新型的高性能传动方式，交直交变频传动以其优越的调速性能、谐波污染小以及功率因数高等优点，在国内矿山提升系统中得到广泛使用。

关键词：煤矿提升机；交流拖动；电网谐波；交直交直接转矩控制系统；交交矢量控制

中图分类号：TD531 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）09-0151-02

直接转矩控制（DTC）技术是1985年德国鲁尔大学教授提出，1998年有瑞士ABB公司将直接转矩技术应用于变频器ACS1000上的交流调速传动的控制技术。它通过检测电机定子电压和电流，计算电机的磁链和转矩，并根据与参考值比较所得的差值，实现磁链和转矩的直接控制。从根本上解决了交交矢量控制（CYCLO）中的计算、控制复杂的问题。目前该技术已成功地应用于矿山、冶金、船舶等工业领域。

一、交直交直接转矩与交交矢量控制原理比较

矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将交流电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic，通过三相/二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换（d、q坐标），等效成同步旋转坐标系下的直流电IΦ1、IΦ2（IΦ1相当于直流电动机的励磁电流，IΦ2相当于与转矩成正比的电枢电流）,然后模仿对直流电动机的控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量解耦进行独立控制。

直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在静止的坐标系中通过检测直流电压和相电流，计算电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号对逆变器的开关状态进行最佳控制，有很快的转矩响应速度和很高的速度及转矩控制精度。

二、系统组成结构比较

交直交直接转矩控制系统（DTC）与交交矢量控制（CYCLO）比较，交直交直接转矩控制（DTC）结构简单。

1．功率元件IGCT相模块采用无熔断器保护结构。即便系统发生短路故障时，由于主回路断路器在60ms内能够分断电源，故功率元件模块无需使用熔断器保护。

2．无需功率补偿滤波器。ARU整流侧控制原理基于直流电压调节和功率因数调节，系统功率因数

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作者简介：林忠秋（1975-），男，福建连江人，中铁二十四局福建公司工程师，研究方向：土木工程。

（责任编辑：文　森）

DOI:10.13535/ki.11-4406/n.2012.09.007

2012.03151

达1，动态可调，所以供电电网中无需设立功率补偿装置。

3．变压器数目减少。交交变频单绕组电机主回路需要三台定子变压器，同等性能的交直交变频电机只需要一台定子变压器即可。

4．变压器容量大大减少，对同等电机功率，DTC 变压器的容量通常是交交变频变压器的50%。低速时，电动机的输出功率因转速低而输出功率小，由于ARU直流侧电压高达4900V，而使得整流器的输出电流也小，所以变压器的输出电流就小，整流变压器发热量就小，这就使得交直交回路变压器的容量选型可以比交交的小的缘故。

三、对电网质量要求的比较

由于交直交直接转矩控制（DTC）在整个提升循环中，定子变压器线电压和线电流控制在相同相位，对电网而言，属于线性负荷，功率因数恒为1，因此，对电网没有无功功率要求，所需电网功率就是实际有功功率。由于交直交直接转矩控制（DTC）系统不从电网消耗无功功率，因此，对电网造成的压降也非常小。而交交变频提升机在启动阶段，无功功率为最大，需装设无功补偿及谐波吸收装置。

四、电网谐波的比较

交交矢量控制（CYCLO）系统的最大致命弱点是对电网产生谐波，这些谐波不仅包括特征频率，而且含有随速度变化的边频以及运行时由于触发脉冲不对称、无环流死时等因素影响而引入的旁频。这大大增加了谐波治理的难度。

而对交直交直接转矩控制（DTC）系统，不仅不产生电网谐波，而且吸收过滤电网上的谐波。6脉动ARU整流器能够消除25次及以下谐波，12脉动ARU整流器能够消除55次及以下谐波，18脉动ARU整流器能够消除85次及以下谐波。

因此，交直交直接转矩控制（DTC）系统还适用于电网质量比较差的场合，如有谐波、压降大等。

五、动静态性能比较

交直交直接转矩控制（DTC）每25μs采样一次实际数据，估算电机模型，计算控制力矩，直接切换功率元件IGCT，控制响应时间为1～2ms左右，而PWM矢量控制（CYCLO）的力矩阶跃一般在10～20ms。因此，交交矢量控制（CYCLO）的矿井提升机，大多会产生力矩汶波，导致共振频率。采用Optimized switching angles PWM技术控制IGCT导通、关断的交直交直接转矩控制（DTC）系统则能消除力矩汶波，避免机械共振。

在低速时，DTC使用了专利方案，包括：

1．力矩汶波控制。专用软件通过调整力矩汶波频段，使力矩汶波最小化。

2．力矩前馈控制。控制系统根据负载变化动态预测力矩，以获得更平滑的控制。

3．高性能的速度位置控制。当速度设定为零速时，电机将保持绝对零速，由于编码器测量的位置也保持不变，以保证准确停车精度。

4．低的定子电流下降率。一般情况下，速度很低时，系统将降容使用。但DTC传动在低速甚至零速时，可短时输出100%额定电流，连续输出70%的额定电流。这是软件通过特殊的切换技术来平衡定子相间电流来实现的。

六、技术前景

新技术及新器件的发展趋势，要求交流传动系统具有主动前端（AFE）技术, 以减少对电网的影响，几乎所有的国内外传动公司，都已投资研发带主动前端技术（Active Front End）的传动系统，如ABB， Siemens。这样，Cyclo-交交变频传动系统将退出新系统的市场，技术及产品支持将会越来越少，从而大大增加提升机系统的维护费用。

交直交直接转矩控制（DTC）系统使用集成门极可换向晶闸管IGCT，采用无熔断器结构的相模块，结构简单。逆变侧，使用直接转矩控制（DTC）技术，动静态控制性能高，能消除力矩汶波和机械共振。整流侧，使用优化触发脉冲控制模式，不产生谐波，功率因数为1，无需功率补偿和谐波治理。同时，进线侧设有IFU（INPUT FILTER UNIT）进线滤波单元能吸收过滤电网谐波，适用于电网质量较差的场合。

参考文献

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煤炭工业出版社，2008.

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作者简介：王守军（1979-），男，安徽淮南人，淮南矿业集团生产部工程师。

（责任编辑：文　森）

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