【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，實(shí)現(xiàn)符合中國(guó)國(guó)情的煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)5 方案選擇 變頻電路方案選擇 目前應(yīng)用較多的變頻電路有：交交變頻電路、矩陣式變頻電路和交直交變頻電路。1．交交變頻電路1）電路構(gòu)成和基本原理單相交交變頻電路的基本原理如圖 11 所示。電路有 P 組和 N 組反并聯(lián)的晶閘管交流電路構(gòu)成，和直流電動(dòng)機(jī)可逆調(diào)速用的四象限變流電路相同。變流器 P 和 N 都是相控整流電路，P 組工作時(shí)，負(fù)載電流 為正，N 組工作時(shí)， 為負(fù)。讓兩組變流器按0i 0i一定的頻率交替工作，負(fù)載就得到該頻率的交流電。改變兩組變流器的切換頻率，就可以改變輸出頻率 。改變交流電路工作時(shí)的控制角 ，就可以改變交流輸出電壓的0w?幅值。　 NPZU圖 11 單相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形為了使輸出電壓 的波形接近正弦波，可以按正弦規(guī)律對(duì) 進(jìn)行調(diào)試。如上圖所0u ?示，可以在半個(gè)周期內(nèi)讓正組變流器 p 的 角按一定的規(guī)律從 逐漸減小到 或某個(gè)?090o值，然后再逐漸增大到 。這樣，每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓就按正弦規(guī)變化。9另外半個(gè)周期可對(duì)變流器 N 進(jìn)行同樣的控制。2）交交變頻電路的優(yōu)缺點(diǎn)和交直交變頻電路比較，交交變頻電路的優(yōu)點(diǎn)是：只用一次變流，效率較高：可方便實(shí)現(xiàn)四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波。缺點(diǎn)是：接線復(fù)雜，受電網(wǎng)頻率和交流脈沖數(shù)的限制，輸出頻率低，輸出功率因數(shù)低；輸入電流諧波大，頻譜復(fù)雜。矩陣式變頻電路是近年來出現(xiàn)的一種新穎的變頻電路，其電路圖如圖 12 所示。這種電路也是一種直接變頻電路，電路使用全控型開關(guān)器件，控制方式不是傳統(tǒng)的相安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)6控方式，而是斬空方式。該種變流器是一個(gè)由交流開關(guān)組成矩陣，她允許從任意輸入相到任意輸出相的連接。這些開關(guān)經(jīng) PWM 控制產(chǎn)生輸出基波電壓，并可以改變基波電壓的幅值和頻率來控制一臺(tái)交流電機(jī)。在任一瞬間，每組只有一個(gè)開關(guān)閉合，共有 23 種可能的開關(guān)狀態(tài)。線路 LC 濾波器是必須的，一是為了完成交流開關(guān)的換相，使負(fù)載的感性電流可以在各相之間切換；二是為了濾掉線路電流的諧波。SSSABCLCabcnS 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 8S 9圖 12 三相——三相矩陣式變流器矩陣式變頻電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓為正弦波，輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制；輸入電流也可控制為正弦波且可以和電壓相同，功率因數(shù)為 1，也可以控制為需要的功率因數(shù)；能量雙向流動(dòng)，適用于交流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行；不通過中間環(huán)節(jié)而直接實(shí)現(xiàn)變頻，效率較高。缺點(diǎn)：目前來看，矩陣式開關(guān)電路所用的開關(guān)器件為 18 個(gè)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，控制方式還不成熟，電路的輸出輸入最大電壓比只有 交流電機(jī)調(diào)速是輸出電壓偏低。交直交變頻器的工作原理是：先通過整流器將工頻交流電換成直流電，再通過逆變器將直流電變成交流電。變頻器輸出的交流電的幅值和頻率均可調(diào)節(jié)。交直交變頻器由整流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié) 3 部分構(gòu)成。電路圖如圖 13 所示。整流環(huán)節(jié) 6 個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式可控整流電路，采取自然換相方式。整流電路的作用是：將三相交流電整流成幅值可調(diào)的直流電 ，其中 幅值的調(diào)節(jié)時(shí)通過調(diào)dUd安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)7節(jié)晶閘管的控制角 的大小來實(shí)現(xiàn)的， 角越小， 就越大，兩者的關(guān)系用公式可控??dU整流電路接電感型負(fù)載： 。直流環(huán)節(jié)為直流大電容，?波，可使直流電壓 的波形更為平直。因?yàn)橹绷鳝h(huán)節(jié)中并接大電容，所以這種變頻器屬于電壓型。逆變環(huán)節(jié)由 6 個(gè)晶閘管構(gòu)成三相橋式逆變電路，采用強(qiáng)迫換流方式。強(qiáng)迫換流電路由線路中電容和電感構(gòu)成，作用是：當(dāng)某個(gè)晶閘管需要關(guān)斷時(shí)，強(qiáng)迫換流電路會(huì)在此晶閘管兩端形成反壓，迫使其關(guān)斷。逆變電路的作用是：將直流電 逆變dU成頻率可調(diào)的三相交流電。圖 13 交直交變頻電路簡(jiǎn)圖交直交變頻電路具有以下特點(diǎn)：（1）此電路采用電壓型變頻方式，這是變頻器中最常用的一種方式。（2）變頻器輸出的三相電壓幅值和頻率的調(diào)節(jié)方法。幅值的調(diào)節(jié)方法在整流環(huán)節(jié)中完成，通過調(diào)節(jié)整流管 控制角 的大小來實(shí)1VT6?現(xiàn)；頻率的調(diào)節(jié)方法在逆變環(huán)節(jié)中完成，通過調(diào)節(jié)逆變管 的觸發(fā)脈沖的頻率的大小來實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)脈沖的頻率增加，則輸出電壓的頻率會(huì)增加。可見，這種變頻器屬于 PAM 型變頻器，PAM 方式的特點(diǎn)是：輸出電壓的幅值和頻率的調(diào)節(jié)在不同環(huán)節(jié)中完成。（3）整流管和逆變管均由晶閘管構(gòu)成，而產(chǎn)生和使用晶閘管的技術(shù)已經(jīng)很成熟。 電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)方案目前正在應(yīng)用的礦山電力拖動(dòng)系統(tǒng)方案有交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、晶閘管交一交變頻同步電動(dòng)機(jī)矢量控制方案、交流電動(dòng)機(jī)雙PWM交直交直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)等。1. 交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖14所示。在加速過程中，交流接觸器KM1,KM2,KM3,KM4逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)8以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施力A1低頻電源，讓電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。這種托動(dòng)方案存在的問題是:1)開環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差。2)觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差。3)運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上。4)電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的2030%.K M 4K M 3K M 2K M 1R 1R 2R 3R 4T圖14 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速圖雖然這種調(diào)速方案技術(shù)性能和運(yùn)行效率低，但控制方式簡(jiǎn)單、初期設(shè)備投資較低，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用這種調(diào)速方案。2. 晶閘管供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(亦稱VM 系統(tǒng))由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式：安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)9 （11）emdTCI??式中， ——直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Nm。eT ——磁通，Wb；? ——直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流，A。dI可知 ，改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 極性有兩種方法，一是改變電流 的極性，稱為eTdI電樞換向方案。二是改變勵(lì)磁電流 的極性，稱為磁場(chǎng)換向方案。改變直流電流極性的fIVM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。在使用時(shí)通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 來移動(dòng)觸發(fā)cU脈沖的相位，可改變平均整流電壓 ，從而實(shí)現(xiàn)平渭調(diào)速。但是，由于晶閘管的單向dU導(dǎo)電性，不允許電流反向，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可逆行，必須使用正反兩組全控整流申路，使得系統(tǒng)裝置復(fù)雜。G TM=+V TU C+圖15 VM可逆調(diào)速系統(tǒng)這種拖動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是調(diào)速性能好 (可實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速)、運(yùn)行效率高(變流器的% 以上)。但這種方案采用的是晶閘管相控整流電路，其輸入電流滯后于電壓，滯后角隨著觸發(fā)延遲角a的增大而增大，位移因數(shù)也隨之降低（ ） 。cos???所以功率因數(shù)低、諧波電流大、會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，干擾了其它設(shè)備的正常運(yùn)行。所以當(dāng)系統(tǒng)處于深度調(diào)速狀態(tài)，晶閘管導(dǎo)通角很小的時(shí)候，要添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。3. 晶閘管交一交變頻同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)為了解決大容量礦井提升機(jī)V M 直流調(diào)速系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，德國(guó)西門子等公司開發(fā)了晶閘管交一交變頻同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，其主主路結(jié)構(gòu)如圖所示。由兩組晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成單相交一交變頻電源，變頻器的輸出頻率在7HZ以下，改變?nèi)嘧冾l器的輸出頻率即可改變同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用矢量控制技術(shù)對(duì)三相定子電流幅相進(jìn)行控制，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為了保證同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為1，在控制三相定子電流的同時(shí)，也控制勵(lì)磁電流 的大小。我國(guó)的礦井提機(jī)從90年代初開始采用西門fI子公司的交一交變頻同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)。該拖動(dòng)方案的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子重量輕、拖動(dòng)系統(tǒng)的飛輪矩小、轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。同安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)10步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高，維護(hù)工作量小。但是這種拖動(dòng)方案的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、諧波電流大,對(duì)電網(wǎng)的污染嚴(yán)重，為此，需增設(shè)諧波補(bǔ)償裝置、無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，使整個(gè)系統(tǒng)的投資大。三相 三相 三相6 K VUVWifM S~ ~圖16 晶閘管交交變頻同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)4. 雙PWM交直交變頻調(diào)速方案繞線式異步電機(jī)雙PWM交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖中，ARU 為PWM 可逆整流器，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)近似為1，能夠?qū)⒔涣麟娫吹哪芰哭D(zhuǎn)變成直流電能，也可以把直流側(cè)的電能逆變成交流電回饋電網(wǎng)。交流側(cè)的電流波形接近正弦波，諧波電流較小。（圖）~ 1 0 K VA R U I N UM S~i f圖17 雙PW交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電圖INU 為PWM逆變器，它將直流你變成三相交流電供給異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，為了改善對(duì)礦井提升機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制的性能，可采用直接轉(zhuǎn)矩控制方案，扭矩響應(yīng)時(shí)間達(dá)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)11 (ABB公司)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量也大大減小。2 礦井提升機(jī)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的理論分析 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本課題的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。A CA CA Cs 1s 2s 3i d32SC32SC32S32S32S32SCdU?A V R A C Rl?lA C Rqi??pqU?pdU?pab?cdi???1n?23rsdE檢 測(cè) d檢 測(cè)PWM調(diào) 制 dU調(diào) 制~50HZ ~50HZab?c AUBCiaibcrturti?temARTASRmristsi?s??p?1Le?n?TK?nK2??1tg?su?PG鎖相 Vsu1?pi??su運(yùn) 算 電 壓 模 型3~M?????圖 21 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 三相電壓源型 PWM 整流器控制系統(tǒng)的理論研究 PWM 整流器按其主電路結(jié)構(gòu)可分為電壓源型（ VSR）和電流源型（ISR ）兩種。電壓源型整流器和電流源型整流器相比，直流脈動(dòng)小，輸入電流連續(xù)且簡(jiǎn)單易行，因此電壓源型整流器成為當(dāng)今主要研究對(duì)象。 三相電壓源型 PWM 整流器的電路分析PWM 脈寬調(diào)制可逆整流器具有功率因數(shù)可調(diào)、諧波電流小的突出優(yōu)點(diǎn)，它克服了晶閘管可控整流器的缺點(diǎn)。目前已在交直交可逆交流傳動(dòng)系統(tǒng)、高壓直流輸電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置中應(yīng)用。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)12三相 PWM 整流器的主電路如圖 21 所示。在電源電壓 uab為正半周時(shí)，驅(qū)動(dòng) V3，使其導(dǎo)通，則 Uab經(jīng)交流回路電感器 L 短路，i a增加。當(dāng) V3關(guān)斷時(shí)，L 向直流回路釋放能量，同時(shí) Uab也向直流回路輸出能量。輸出能量的大小取決于 V3導(dǎo)通的時(shí)間。此為斬波升壓電路。三相橋工作在脈寬調(diào)制狀態(tài)，三相橋的交流側(cè)為被調(diào)制的三相交流電壓 upa 、u pb、 upc。其基波分量與電網(wǎng)側(cè)的電壓同頻率。在調(diào)節(jié) upa 、u pb、 upc的基波分量的幅值和相位時(shí)，可調(diào)節(jié)交流側(cè)電流的幅值和相位RaLaRbLbRcLcV1V3V5V4V6V2RLudOOC / 2C / 2PaPbPciaabc~圖 22 三相 PWM 整流器主電路交流側(cè) a 相等效電路如圖 22 所示?；芈冯妱?shì)平衡方程為 （21）paaudtiLRie??式中： ——a 相交流電源電壓；e——a 相交流電流；iL——a 相回路總電感，含進(jìn)線濾波器電感、電源漏感；R——交流回路總電阻；——a 相調(diào)制電壓。puLaeaup aiaR圖 23 交流側(cè) a 相等效電路相量表達(dá)式為 paaUILjIRE.... ???在調(diào)節(jié) upa 的幅值和相位時(shí)，改變 ia的幅值和相位，可得到以下四種典型的相量安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)13圖，每種相量圖對(duì)應(yīng)于一種典型的應(yīng)用，如圖 24 所示。 IaEaULUP aUR.....o ?IaEaULUP aUR.....o ?(1) ia 與 ea 同相 (2) ia 與 ea 反向 IaEaULUP aUR.....o ?IaEaULUP aUR.....o ?(3) ia 超前 ea 90176。 (4) ia 滯后 ea 90176。圖 24 調(diào)節(jié) upa時(shí)的 ea與 ia相量圖1）整流狀態(tài)相量圖的圖 23(1), 比 滯后 δ ， 與 同相，功率因數(shù)角 φ 為 0186。此paU..時(shí)，是理想的整流狀態(tài)，將三相交流電源變成直流電源。2）逆變狀態(tài)相量圖的圖 2