关于煤矿机电工程中的DTC变频技术研究

陈庆

摘 要：近年来，随着我国科学技术的发展，先进的电力技术也得到了极快的发展，其中变频控制的技术逐渐在煤矿机电设备中得到普遍性的运用，以有效地提升煤矿机电设备的效率与可靠性能。基于此，本文介绍了DTC的采煤机中的变频技术，从变频调速技术的构成、磁链及转矩观测、变频调节、定子电压的选取角度对于DTC变频技术应用情况加以研究，再通过相关仿真软件系统地分析，提出一些优化的方案。

关键词：煤矿机电工程；DTC变频技术；研究

如今，变频技术因其自身的较高的效能与良好的实用性能等特点，已得到更多的矿产公司的认可与应用，变频技术在矿山机电设备中被大量運用。煤矿机电作为当代煤企业向前发展的技术保障，采煤机的各项性能指标对于采煤工作的生产效率起到了决定性作用。当前我国的采煤机从原来链牵引到无链的牵引模式，向着电牵引模式发展。电牵引时会提升采煤的效率。其中分成直流和交流两个方式。二者各自具体不同的特点。本文对于这个问题进行了具体分析与研究。

一、当前煤矿企业机电的交流变频调速技术分析

交流变频的技术是现阶段我国普遍运用于煤矿机电中的一种调速技术，按照控制的形式可大体划分为以下四个种类。其一，开关的恒压比控制技术。这种控制形式的特点是构成简单、投入的成本较少，可是系统的功能相对差一些，而且其控制的曲线会受到负载的制约，转矩的应用率较低，响应的速度也很慢；其二 ，电压的空间矢量控制技术。这种变频的技术把三相的波形转化的成效当作控制的条件，按照电机气隙中的旋转磁场的轨迹，产生三相的波形图像，依据图像内切形式，还引进了频率补偿达到对于操作的控制。其主要优点是变频技术的控制精确度很高，且各项的功能相对平稳，缺陷是由于电力的环节太多，没有相应的转矩调节，导致系统的总体性能无法达到合理的改善；其三，矢量控制的变频技术。这种技术主要让交流经坐标更换的方式转化成直流，模拟直流的控制方式，得到控制力，然后通过坐标更换达到对操作的控制。由于坐标的更换一般是经过了磁动势等形式的电流的空间矢量来完成的，所以对这个技术变频的系统又可以叫做矢量控制的系统。这样的控制形式有着很多的优势，如可以在零转速的条件下完成速度的调节，或在较低的速度下，也能够正常运行，其调速的空间也很大，可以按照转矩来完成控制，而且系统的响应速度极快，加速性能也良好。然而，这类的变频技术其控制功能容易受到电动机的参数的制约；其四，直接转矩的控制DTC变频技术。这种技术不用展开电动机的模型解耦，直接对于电动机的转矩加以控制，改良了其他矢量控制的技术存在的缺点，是变频技术中的一项重要的突破。这种DTC的变频技术在定子的坐标里分析交流机的相关数学模型，通过这样的方式对于磁链和转矩之间做出有效的控制，不需要矢量控制技术的诸多运算或坐标的更换，其构成相对更为简易，使得工作的效率得到了极大的提升。

二、直接转矩控制的采煤机变频调速技术的分析

采煤机的相关变频调速的技术总体可划分为两大部分。即整流和逆变，整流主要应用可逆转的PWM整流设备，而逆变主要应用直接转矩的变频控制。以下对于逆变器里的直接转矩的变频调速技术进行具体分析。

（1）变频调速技术的主要构成

参照直接转矩的变频技术相关的调速系统构成图，对于异步的电动机中磁链和转速分别加以控制，把转速调节设备的输出当作转矩的期望数值，还要设计出相对的进行转矩控制的内环，为了避免由于磁链对于转速分支系统带来的影响，以免磁链与转速的相近解耦状况发生。

（2）磁链和转矩观察中的变频调节

其一，观察电压的模型。磁链和转矩的闭环控制要先进行电磁转矩和定子磁链相关的反馈信息的获取，可是在实际工作中这两种信号都是不容易观测到的，以往的形式主要是通过状态重构模式对于磁链和转矩来观测。其中对磁链的观测方式有几种类型，较简单的还属定子电压的方程，反电势E通过积分环节形式获取定子磁链的分量。以上的模型从理论的角度是可行的，若是转速不大、定子的电阻电压降很大的时候，其反电势E会趋向于零，所以测量的失误很容易把反电势忽视掉，进而引起磁链的观测设备不能发挥出实际的果效。其二，观察电流的模型。 磁链观测设备一般经过转子的电压（就是a-n的模型，或叫做电流的模型，过程略）经过参见模型的构成框架可以得出：模型里的设计电机的参数有很多，而且大多的参数因温度变化而产生相应的变动，若是在中速或较高速度的条件下，这处模型不能准确地观测到电压的模型。所以，为了有效地提升观测的可靠性，可以把电压和电流模型进行综合应用，就是高速条件下，进行电压模型的切换；低速条件下转为电流模型的切换。这里有一点值得关注，就是这个方法可以提升准确性能，可是会带来电流的跳动。其三，磁链和转矩进行变频的调节。磁链和转矩其调节一般经过滞环比较设备来进行。按照之前的分析，能够把两种滞环的比较设备综合在一起，达到对电压矢量的双重控制，让磁链一直处在给定值的左右，还可以让电机输出的转矩实时跟上指令，以更好地提高DTC变频技术的控制效果。

（3）定子电压的空间矢量获取

为了获取可靠的定子电压的空间矢量，还要结合几个因素，如转矩的偏差、磁链矢量、磁链偏差与扇区的部位等，具体可以利用磁链矢量的相关分量还有坐标中的变换关系来计算。最后可以求出转矩偏差、扇区的未知数值还有磁链的偏差等，再依据磁链和转矩的相关操控规则，进行下周期的电压矢量的选取。

三、直接转矩控制的变频调速技术的仿真及其结果研究

应用仿真软件对于直接转矩变频的方案作出系统性的分析。直接转矩控制的变频调速技术建立一个仿真的模型。观测设备和调节设备都通过两点式来展开要观测和调节，把转矩和磁链其反馈的数值与设定的数值分别加以比较，还要对于生成的转矩和磁链调节的信号进行对比。把磁链向三相的坐标轴投影，得到每个轴相对的分量，并按照正负状况作出扇区的判别。 开关情况经过相关的函数模块构成。经过列表的形式观察可了解，一般是经过零矢量达到降低转矩的，可是未想到磁通调节设备的输出情况，由于磁通的波动不大。还有选取的滞后矢量可以监控对磁通的控制，然而还会助长转矩的波动和电流，对稳态性造成影响。

（一）仿真结果的分析：仿真参数选用情况：额定功率37.2 kW，额定电压563 V，极对数为2，电子电阻为0.089Ω，转子电阻为0.227Ω，定子漏感为0.7mH，转动惯性2.03 kg/m2，转矩调节设备的容差为1 Nm。仿真磁条是较为规则的圆形，表明了控制过程中磁链的幅值没有改变，进行匀速的旋转，和理论结果一致。其转速的响应稳定且迅速，从波形图观察，是三相电流的规范模式，波形的中心可以稳定于转矩设定数据的范围中，可以正负的偏差较大，从仿真的结果还可了解到，DTC变频技术的转矩脉动是很大的。

（二）优化方案：因 DTC的变频技术有着转矩脉动大的缺点，会受采样期限的制约，周期越大波动也会更大，而采样周期与开关的频率有关。因此，可以在逆变设备与电动机之间安装滤波部件，降低电流谐波引起的机器铁耗量，以减少脉冲。另外，还可缩小转矩滞环的容差等。

结束语：

直接转矩控制的变频调速技术不用把交流电进行相关的转换，这就省去了许多转换中的计算量，也不用模拟直流电的控制与解耦等行为，还可以将交流的数学模型进行简化，让系统构成更为简易，进而可迅速进行动态的响应。通过仿真软件对于这种技术应用方案作出分析，提出优化方法，以此提升DTC变频技术的使用性能。

参考文献：

[1]王琛，朱国栋. 煤矿机电工程中的DTC变频技术研究[J]. 煤矿机械，2015，36（11）：77-79.

[2]张洪革. 变频技术在现代煤矿机电工程中的应用实践[J]. 建材与装饰，2017，（15）：188-189.

[3]杨新宜. 变频技术在现代煤矿机电工程中的应用实践[J]. 能源与节能，2017，（02）：166-167.endprint