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： 交一交变频传动和交一直一交变频传动。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 分量解耦进行控制。 学教授提出，１９９８年有瑞士ＡＢＢ公司将直接转矩技术 直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制 应用于变频器ＡＣＳｌ０００上的交流调速传动的控制技 电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作 术。它通过检测电机定子电压和电流，计算电机的磁 为被控量来控制，它也不需要解耦电机模型，而是在 链和转矩，并根据与参考值比较所得的差值，实现磁 静止的坐标系中通过检测直流电压和相电流，计算 链和转矩的直接控制。从根本上解决了交交矢量控制 电机磁通和转矩的实际值，然后，经磁链和转矩的 （ＣＹＣＬ０）中的计算、控制复杂的问题。目前该技术 Ｂａｎｄ—Ｂａｎｄ控制产生ＰＷＭ信号对逆变器的开关状态进行 已成功地应用于矿山、冶金、船舶等工业领域。 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。一、交直交直接转矩与交交矢量控制原理 比较 二、系统组成结构比较 矢量控制也称磁场定向控制，其原理是将交流电 交直交直接转矩控制系统（ＤＴＣ）与交交矢量控 动机在三相坐标系下的定子电流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ，通过三 制（ＣＹＣＬ０）比较，交直交直接转矩控制（ＤＴＣ）结构 相／二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 简单。 Ｉａｌ、Ｉｂｌ，再通过按转子磁场定向旋转变换（ｄ、ｑ坐 １．功率元件ＩＧＣＴ相模块采用无熔断器保护结 标），等效成同步旋转坐标系下的直流电Ｉ １、Ｉ①２ 构。即便系统发生短路故障时，由于主回路断路器在 （Ｉ①１相当于直流电动机的励磁电流，Ｉ ２相当于与 ６０ｍｓ内能够分断电源，故功率元件模块无需使用熔断 转矩成正比的电枢电流），然后模仿对直流电动机的 器保护。 控制方法，实现对交流电动机的控制。其实质是将交 ２．无需功率补偿滤波器。ＡＲＵ整流侧控制原理 流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个 基于直流电压调节和功率因数调节，系统功率因数 ［４］李昕．内河航道船舶定线制条件下的航标配布探讨Ｕ】 ．整治工程方案试验研究及整治效果分析【『】．水运工程， 水运工程，２０１０，（３）． ２ｏ１０，（３）． 【５】余卫锋，肖烈兵．安庆石门湖航道整治工程研究们．中国 水运，２０１０，（４）． 作者简介：林忠秋（１９７５一），男，福建连江人，中铁二十四 ［６】水运工程质量检验标准（ＪＴＳ ２５７—２００８）【Ｓ】．北京：人民交 局福建公司工程师，研究方向：土木工程。 通出版社，２００８． ｒ７】李文全，黄召彪，邓晓丽，雷家利．张家洲南港下浅区航道 （责任编辑：文森） ２０１２ ０３ ｏ中圈高衙艘术硷 ｌ５１ 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５Ｏ％。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，ｌ２脉动ＡＲＵ整流 器能够消除５５次及以下谐波，ｌ８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２５ ｕ ｓ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ｌＯ￣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Ｏｐｔｉｍｉ ｚｅｄ １５２ ｏ中阉高新技术企业２０１２ ０３ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｇｌｅｓ ＰＷＭ技术控￥１ＪｌＧＣＴ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，￣ＩＡＢＢ， Ｓｉｅｍｅｎｓ。这样，Ｃｙｃｌｏ一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。ｏ 参考文献 【１】李崇坚．交流同步电机调速系统［ＭＩ．科学出版社，２００７ ［２］李玉瑾．多绳摩擦提升系统动力学研究与工程设计【Ｍ】． 煤炭工业出版社，２００８． ［３】？ｄ３Ｂ培训大学．ＡＣＳ６０００基本操作与维护［』 ． 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）
