基于矢量控制的矿井提升机研究

徐 杰,陈 磊,王运强

（山东丰源远航煤业有限公司赵坡煤矿,山东 滕州 277518）

0 引言

交流调速技术工业应用领域一直处于非常重要的地位，在该技术刚兴起之时，学者们对交流电机的动态稳态分析、控制和物理特性的研究就已经比较盛行[1]。磁场定向控制理论的提出，促使交流调速技术有了很大的提升[2]。由于异步电机的数学方程是一个多变量、强耦合、非线性的模型，矢量控制技术中使用了坐标变换，可以把复杂的电机模型转换到旋转的且简单的d-q坐标系下，再对此坐标系下的模型进行简化分解，使得难以解耦控制的异步电机等效类似于直流电机的模型[3]。

1 矢量控制变频调速系统的原理

三相异步电动机的绕组在空间上互差 电角度并固定在定子上，当在三相绕组上加三相交流电时，定子绕组将在空间上产生旋转磁场。

把异步电动机的三相绕组等效变换到空间互成为90°的静止α、β绕组，三相绕组的电流和两相α、β绕组电流有固有的变换关系。再经过旋转坐标变换，将两相静止α、β绕组电流等效变换为磁场方向与M轴、T轴方向一致的同步旋转坐标系下，从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。

2 矢量控制系统的转子磁场定向原理

磁链的检测方法大体上有直接法和间接法两种。由于直接法存在很多弊端，因此工程中使用较多的是间接法，即通过检测电压、电流或转速等参数，借助于数学模型计算出转子磁链值。

由静止两相αβ坐标系下的定子电压公式可推导出转子磁链电压模型表达式：

上式即为电压型转子磁链的估算模型，如果电动机的参数都已知，则 轴的电流可以从三相定子电压和电流测量值经过3S/2S变换得到，那么 、 就可以求出。

异步电动机矢量控制系统图，如图1所示：

3 速度曲线的选择及给定方法

在传统矿井提升机中，根据加速特性不同，其运行速度曲线可以分为3阶段式、5阶段式和6阶段式速度图，根据赵坡煤矿的实际工况，本文中选择5阶段速度图为研究对象。同时，这种5阶段式运行曲线非对称，是目前最为广泛和典型的运行方式。它的运行过程包括启动加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减制动段5个阶段，构成了矿井提升机一次完整的运行周期，如图2所示：

4 系统仿真分析

在图中，主电路采用了三相不控整流、电流滞环比较控制。控制部分采样定子三相电流以及转子转速，通过磁场定向运算得到转子磁链 及 ，然后根据转差等计算 、 ，再经过2r/3s变换后得到三相定子电流的给定值，并通过电流滞环比较，产生PWM波控制电动机转动。

给定转矩为 ；初始给定转速 ，1s后减速到 ，2s后降速停车。额定负载下的仿真波形如图3所示：

5 结论

由仿真可知系统的带负载能力较好、具有较小超调量、响应速度快等优点。电机的转速ω是随着运行时间的增加逐渐由0增加到最大值然后到稳定转速再两次降速到0，符合提升机速度曲线要求。仿真所研究的特性都与电机的实际情况相同，由此可见SIMULINK模型可以正确的反映实际情况，将该控制算法应用到赵坡煤矿，实际工程使用进一步验证了系统的正确性和可行性。

[1]贾瑞,康锦萍.基于Matlab/Simulink的异步电机矢量控制系统仿真[J].华北电力技术, 2011(09):18-25.

[2]苏长胜.矿井提升机控制技术研究现状与发展[J]. 工矿自动化,2013(02):33-38.

[3]彭佑多,张永忠,刘德顺等.矿井提升机的安全可靠性分析与设计[J].中国安全科学学报, 2002(06):32-35.