（机械制造及其自动化专业论文）交流提升机直接转矩控制技术研究.pdf

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。1 。1 d i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fa ch o i s tt e c h n o l o g y b y c h e nz h e b e ( n a n j i n gu n i v e r s i t yo fa e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s ) 2 0 0 3 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nh u i x i a n a p r i l ，2 0 11 m 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：席谚 日期：别年月尹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 际髫 随童踅 黾强：为| | 年 日期：别年 月垆日 6 月j 一日 硕士学位论文 目录 摘要i a bs tra c t i i 插图索引i i i 插表索引v 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义l 1 2 交流提升机的国内外发展概况1 1 3 交流电机调速技术的发展概况3 1 4 直接转矩控制技术的研究现状5 1 5 本论文的主要研究内容6 第2 章提升子系统的动力学模型7 2 1 机电系统耦合分析及模型的建立7 2 2 提升子系统的组成。9 2 3 提升系统中的动载荷9 2 3 1 提升系统的风载荷9 2 3 2 提升系统的钢丝绳张力载荷1 1 2 4 提升子系统的动力学模型1 3 2 5 本章小结1 6 第3 章异步电动机的动态数学模型与仿真模型1 7 3 1 异步电动机动态数学模型的性质1 7 3 2 三相异步电动机的多变量非线性数学模型1 7 3 2 1 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型1 8 3 2 2 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型1 9 3 2 3 基于定子电流和转子磁链的感应电机状态空间方程2 1 3 3 仿真结果及分析2 l 3 4 本章小结。2 6 第4 章异步电动机直接转矩控制原理2 7 4 1 电压型逆变器的数学模型和电压空间矢量的概念2 7 4 5 直接转矩控制仿真研究3 7 4 5 1 系统的总体仿真模型3 7 4 5 2 模块仿真模型的建立3 7 4 5 3 仿真结果及分析。4 2 4 6 本章小结4 4 第5 章基于空间电压矢量调制的直接转矩控制4 5 5 1 空间电压矢量调制的原理。4 5 5 2s v p w m - d t c 系统结构5 0 5 3 基于空间矢量调制技术的d t c 系统仿真模型5 1 5 3 i 电机模型模块5 2 5 3 2p i 调节器。5 2 5 3 3 参考电压矢量计算模块。5 3 5 3 4s v p 舳i 模块。5 3 5 3 5 三相两相变换模块5 7 5 4 仿真结果及分析5 7 5 5 本章小结5 8 第6 章总结与展望。5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 参 考 文献6 0 j 改谢6 ：； 附录a攻读学位期间所发表的学术论文目录6 4 硕士学位论文 摘要 目前，我国实际生产中使用的矿井提升机有相当一部分是交流提升机。作为 矿山的咽喉设备，交流提升机的安全、可靠运行关系到整个矿山生产的正常进行。 本课题在前人研究成果的基础上，从交流调速的角度出发，对异步电动机进行了 建模和仿真，并主要对直接转矩控制技术和基于空间电压矢量调制的直接转矩控 制策略进行了整体建模、仿真、分析。 本论文的研究是从异步电动机的数学模型出发，得到异步电动机的空间状态 方程，并构建其仿真模型。然后介绍传统直接转矩控制原理，对于近似圆形磁链 的直接转矩理论进行了分析，利用电压矢量查表的方法，通过实时判断磁链的区 间和幅值以及转矩的大小，从表格中选择合适的电压矢量，利凇t l a b s m ，k 仿真软件进行建模仿真。结果证明直接转矩控制具有简单、对电动机参数依赖小、 转矩响应快的特点，成为目前异步电机最重要的控制策略之一。 基于空间电压矢量调制的直接转矩控制策略，把电动机和p w m 逆变器看成一个整 体，使电动机获得赋值恒定的近似理想的圆形磁场，解决其转矩、电流、磁链脉动大， 开关频率不恒定的问题。重点设计了s v p w m 模块，包括期望电压空间矢量的合成方法， 矢量区间的判断，开关器件的导通时间和时刻的计算。仿真实验结果证明了基于空间电 压矢量调制的直接转矩控制方法可以有效改善直接转矩控制系统的性能，减小传统直接 转矩控制中的磁链和转矩脉动，并使逆变器工作在恒定的开关频率。最后总结论文所做 的研究工作，并展开今后的研究重点和方向。 关键词：提升机；异步电动机；m a t l a b ；直接转矩；空间电压矢量调制 交流提升机直接转矩控制技术研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ea c t u a lp r o d u c t i o no fu s em i n eh o i s ti sq u i t ean u m b e ro f a ch o i s ti no u rc o u n t r y b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo fm i n i n ge q u i p m e n t , t h e s a f e t ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fa ch o i s ti sg r e a tr e s p o n s i b l ef o rt h en o r m a lm i n e p r o d u c t i o n t h i sp a p e rb a s e do nt h er e s u l t so fp r e v i o u ss t u d i e s ，f r o mt h ep e r s p e c t i v e o fa cv a r i a b l es p e e d , r e s e a r c hm a i n l yf o rb u i l d i n go v e r a l lm o d e l i n g , s i m u l a t i o n , a n a l y s i sw h i c hb a s e d o nd i r e c tt o r q u ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds p a c ev e c t o r m o d u l a t i o nd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra l s oc r e a t e sa c m o t o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t e si t t h es t u d i e so ft h i s p a p e r i s b e g i n n i n g o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f a s y n c h r o n o u sm o t o r , g e tt h em o t o rs p a c ee q u a t i o no fs t a t e ，a n db u i l d i n gt h e s i m u l a t i o nm o d e l t h e n , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lp r i n c i p l e so fd i r e c t t o r q u e c o n t r o l ，a n da n a l y s i so ft h ed i r e c tt o r q u et h e o r yw h i c hn e a r l yc i r c u l a r f l u x d e t e r m i n et h ef l u xa m p l i t u d ea n dt o r q u er a n g ea n di t ss i z et h r o u g ht h e r e a l - t i m e f r o mt h et a b l e ，s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ev o l t a g ev e c t o r , a n dt h e nu s et h e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ns o f t w a r ec r e a t et h e o v e r a l lm o d e l i n ga n d s i m u l a t e si t t h er e s u l t ss h o wt h a tc o n t r o lo fd i r e c tt o r q u em a k eh a v i n gas i m p l e c a l c u l a t i o n , s m a l l e rd e p e n d e n c eo nm o t o rp a r a m e t e r sa n df a s tt o r q u er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s s oa s y n c h r o n o u sm o t o rb e 煳m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nt h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o no fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt a k e t h em o t o ra n dp w mi n v e r t e ra saw h o l e ，m a k et h em o t o rc a no b t a i nc o n s t a n t m a g n e t i cf i e l dw h i c hs i m i l a rt ot h ei d e a lc i r c u l a r s o l v et h et o r q u e ，c u r r e n t , f l u x r i p p l e ，i n c o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yp r o b l e m s f o c u so nt h ed e s i g no ft h e s v p w mm o d u l e ，t h ee x p e c t a t i o n so ft h es y n t h e s i so f v o l t a g es p a c ev e c t o ra n dt h e j u d g eo ft h ei n t e r v a lv e c t o r , c a l c u l a t i n gt h eo n - t i m ea n dt i m eo f t h es w i t c h i n gd e v i c e a tl a s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eb a s e do nt h es p a c ev e c t o rc o n t r o lc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m d e c r e a s et h e c o n v e n t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lf l u xa n dt o r q u er i p p l ea n dm a k et h ei n v e r tw o r ka t ac o n s t a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c y a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h o s es t u d i e s ，a n ds h o w st h er e s e a r c hk e yp o i l l t a n dd i r e c t i o n si n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：h o i s t ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；m a t l a b ；d i r e c tt o r q u e ；s p a c ev e c t o r m o d u l a t i o n - 一 硕士学位论文 皇曼曼虽曼量曼曼曼曼量曼! 舅舅曼置曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇,j l ! mmmm曼m= im 皇曼皇曼鼍皇 插图索引 图1 1 电压型变频器5 图1 2 电流型变频器5 图2 1 机电耦合系统构成框图8 图2 2 机电系统的耦合关系图。8 图2 3 交流提升机划分成三个子系统的结构简图。8 图2 4 矿井提升系统结构简图9 图2 5 立井罐笼提升系统示意图1 0 图2 6 五段速度变化图1 1 图2 7 钢丝绳力学模型。1 2 图2 8 提升子系统的动力学模型简图1 4 图3 1 三相异步电动机的绕组模型1 8 图3 2 异步电动机在两相静止坐标系下的总仿真模型2 2 图3 3 三相两相变换仿真模型2 2 图3 4 异步电动机仿真模型2 3 图3 5 电机空载仿真图2 4 图3 6 电机负载仿真图2 6 图4 1 电压型逆变器示意图2 7 图4 2 三相电压型逆变器的电压空间矢量3 0 图4 3 传统直接转矩控制系统的基本结构框图3 1 图4 4 电压空间矢量和六边形磁链轨迹3 3 图4 5 圆形磁链轨迹和电压空间矢量的关系3 4 图4 6 磁链滞环调节器3 4 图4 7 转矩滞环调节器3 5 图4 8 电压空间矢量和电磁转矩的控制关系3 6 图4 9 异步电动机直接转矩控制系统的总体仿真模型3 7 图4 1 0 定子磁链估计模块仿真3 8 图4 1 1 定子磁链控制器模块3 8 交流提升机直接转矩控制技术研究 i 1, 图4 1 2 电磁转矩控制器模块3 9 图4 1 3 三相两相变换模块4 1 图4 1 4 定子磁链轨迹4 2 图4 1 5 转速曲线4 2 图4 1 6 定子磁链曲线4 2 图4 1 7 电磁转矩曲线4 3 图4 18 定子磁链估计值的相角4 3 图4 1 9 给定负载转矩曲线4 3 图4 2 0 定子电流曲线4 3 图4 2 1 定子相电压曲线4 4 图5 1s v p w m 扇区分布图。4 5 图5 2 目标电压空间矢量的合成4 6 图5 3 在s 1 区域双边空间矢量脉宽调制的逆变器开关信号4 8 图5 4s v p w m d t c 系统的逆变器开关信号给定模块。5 0 图5 5 参考电压矢量计算模型。5 0 图5 6s v p w m d t c 系统仿真模型一51 图5 7 电动机仿真模型。5 2 图5 8d 轴电压分量p i 调节器仿真模型一5 2 图5 9q 轴电压分量p i 调节器仿真模型5 3 图5 1 0 参考电压矢量计算仿真模型5 3 图5 11s v p w m 模块结构5 3 图5 1 2s u b s y s t e m 5 仿真模型5 4 图5 13s u b s y s t e m 6 模块仿真模型5 5 图5 1 4s u b s y s t e m 8 模块的仿真模型5 6 图5 1 5s u b s y s t e m l 0 模块的仿真模型5 6 图5 1 6s u b s y s t e m l1 模块的仿真模型5 7 图5 17 定子磁链轨迹5 7 图5 1 8 定子三相绕组的相电压波形5 8 硕士学位论文 插表索引 表4 1 逆变器开关状态与定子相电压及电压空间矢量对应关系2 9 表4 2 逆时针运转时空间电压矢量表3 6 表5 1 各扇区合成参考电压空间矢量的各基本电压矢量作用时间表4 7 表5 2 六个区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时刻4 9 v 1 1 课题的研究背景及意义 作为矿山采矿运输系统的关键机械设备，矿井提升机担负着矿物提升、人员 上下、物料输送的任务，是联系井下开采和地面输送的重要设备，其性能好坏直 接关系到矿山的生产效率，其安全、可靠的运行是整个矿井正常生产的必要条件。 一旦发生故障，将造成极其巨大的经济损失。 目前，我国矿山上使用的提升机在经历了最初的老一代提升机后，大多进行 了更新换代，并且许多采用了世界先进技术。但是矿井提升机在运行的过程中仍 然面临着机械与电气两方面因不能很好的匹配所带来的诸多问题。 如在实际运行中很常见的两种机械制动与电气制动的配合问题- 第一、当机 械闸的空行程时间比规程要求的0 3 秒大，或者是液压制动系统中的油压与其控 制电流之间的非线性过大时，都会造成提升机在停车时，电动力矩消失而机械闸 还未抱死的现象。这种情况表现在重载停车时，会造成提升机向重的一边坠落， 这样提升机就不能停在正常的停车位置。第二、当电动机的电动力矩还未消失时， 机械闸就已经闭合。当出现这种情况时，不仅不能准确停车，而且对钢丝绳和减 速箱会造成很大冲击。 此外，还有因运动过程控制的不合理以及提升系统参数的不匹配，造成提升 容器在井口上下振动加剧，严重影响卸矿的正常进行，大大降低了整个生产的效 率。如果考虑的更细致一些，矿井井道内空气的摩擦振荡、运送物料的多或者少 等对矿井提升机的运行也都会产生影响。 交流电机虽然控制比较复杂，但其结构简单、成本低、安装环境要求低，适 于易燃、易爆、多尘的条件。尤其是在大容量、高转速应用领域，备受人们青睐。 许多要求调速精度高、动态响应好的场合，由于交流电动机比直流电动机工作可 靠、维护方便、惯性小、效率高、性能高，现在已逐步取代了直流调速和直流伺 服系统。因此，研究矿井提升机的交流调速系统特别是变频调速系统，并对其进 行建模和仿真对于工业生产来说具有普遍而重要的意义【卜”。 1 2 交流提升机的国内外发展概况 我国早在公元前1 1 0 0 年左右就发明和使用了辘轳提水和提升重物，这就是 现代提升机的始祖。但由于我国长期处于封建社会，工业技术没有得到发展，直 到解放后，我国才建立了自己的提升机制造业。1 9 5 3 年抚顺重型机器厂制造了我 了一台四绳摩擦式提升机。此外，提升设备的各项具体技术也都有了飞速的发展， 尤其是在新型制动器、提升钢丝绳、电力拖动和自动化控制等方面，取得了极大 的跃进。 目前，我国的提升机种类繁多。从工作方式的角度，对提升机进行分类，就 可以分为缠绕式提升机、摩擦式提升机、井塔式提升机、落地式提升机等。从拖 动方式的不同来看，又可以分为直流拖动式提升机和交流拖动式提升机。矿井提 升机电力拖动技术的发展经历了三个阶段：第一阶段的特征是以交流拖动为主； 第二阶段的特征是直流拖动代替交流拖动；第三阶段的特征是交流拖动的重新兴 起，是利用更高级的变频技术对交流电动机进行控制的发展阶段。就是说，现在 使用的矿井提升机有相当一部分采用的是交流拖动的方式。 交流提升机实现安全、可靠运行的关键是其电控设备和制动设备性能的好 坏，为此，我们来看一看电控设备和制动设备的发展状况。 ( 1 ) 交流提升机电控设备的发展状况 根据提升容量( 矿每日生产量、年生产设计能力和效率等) ，交流提升机的电 控设备可以分为大功率2 0 0 0 k w 以上和1 0 0 0 k w 以下( 称为普通矿井提升机交流电 控) 两种。在1 0 0 0 2 0 0 0 k w 范围内，如采用普通交流电控即为双机拖动，若采用 交交变频系统，则仍为单机拖动。 目前，在我国矿山上使用的大功率交流电控设备大部分采用的是交交变频 控制方式。其中，设备的制造和调试由于受我国目前的技术水平、开发能力和元 器件的生产水平的影响而全套引进国外原装设备，调试和现场服务由国外公司负 责。从控制手段来看，电控设备可分为模拟量式和全数字式，比如1 9 9 4 年投产 的潞安矿务局常村矿引进的电控设备就属于前者，从1 9 9 5 年以后国内开始引进 全数字式交交变频装置，如南京梅山铁矿、鹤岗兴安台、开滦矿务局相继引进的 设备属于后者。s i e m e n s 公司的s i m a d y n d 系统、a b b 公司的c y c l o 系统也 都属于全数字控制范畴。 i 寡曼皇曼篡曼曼量量曼皇曼曼曼曼曼曼量皇量量曼罡寰曼皇量鼍曼量量皇曼曼曼二窒呈三二主兰塞耋窒耋圣二皇量曼曼曼皇曼曼皇皇量皇曼鼍曼皇曼量量量皇量曼量曼量曼曼一 随着制造工艺的发展和生产成本的降低，交交变频系统在矿井提升机电控 上的应用将更加广泛。随着i g b t 管( 绝缘栅双极型晶体管) 、g t o 管( 门极关断晶 闸管) 等新、大容量电力电子器件的广泛应用，超大容量交流调速装置的发展成为 可能，特别是矢量控制技术和直接转矩控制技术在交直交变频系统上的应用， 使交直交变频的技术性能堪与交交变频相媲美，在部分应用场合( 如小容量几百 千瓦以内) 有取代交交变频的趋势。2 0 0 0 年a b b 公司研制出世界上第一台直接 转矩控带i j ( d t c ) 的提升机，在波兰p r h a s a l m i 煤矿经过近三年的使用，该系统显示了 结构简单、控制性能优良和控制思路新颖，直接转矩控制系统的问世倍受人们的关 注。 现代计算机网络技术、通讯技术的发展，已经使人们的生活发生了极大的变 化，也必将引起矿井提升机控制技术的极大变革，使厂家和现场成为一体，利用 这些技术使对设备的远程调试、维护和监视成为可能，而且可以实现多机联网， 将矿井的各级监视计算机连接到一起，真正实现设备的远程监视和诊断等功能， 更好地达到矿井提升机安全、可靠运行的目的【4 0 】。 ( 2 ) 交流提升机制动设备的发展 我国五、六十年代生产的矿井提升机采用块闸制动器，块闸制动器按结构分 为角移式、平移式和综合式等。卷筒直径3 m 以下的提升机( k j 2 一- 3 ) 采用角移式 块闸制动器，配以用重锤作制动力源的油压制动驱动机构，它的两副闸不能单独 驱动；4 m 以上的提升机( k j 4 - 6 ) 采用压气制动器，其闸为平移式。七十年代以后 生产的提升机已全改为以弹簧作制动力源的盘式制动器。盘式制动器由蝶形弹簧 产生制动力，靠油压松闸。制动状态时，闸瓦压向制动盘的正压力的大小决定于 液压缸内工作油液的压力。 盘式制动器是目前矿井提升机普遍采用的一种机械制动装置，由液压站驱 动，喷嘴挡板阀作液压制动系统的主控元件。这种阀抗污染能力比较差，阀口容易 堵塞，阀的体积比较大，动态响应比较慢，用这种阀不易构成性能优良的闭环控制系 统，系统的安全性和可靠性不易得到保证。国外现已有由电液比例方向阀作主控元 件的闭环控制液压制动系统，系统性能优于由喷嘴挡板阀构成的液压制动系统。 总的来说，经过四十多年的探索研究，我国矿井提升机的研发水平离世界发 达国家还有一段差距。这就要求我们不断引进国外先进技术，改造现有提升设备， 采用最新的技术和工艺，向体积小、重量轻、提升能力大、运行准确可靠和高度 集中化、自动化方向发展。 1 3 交流电机调速技术的发展概况 交流感应电机的出现和发展已经有一百多年的历史，己经研究制造了型式多 样和用途各异的多种感应电机，人们对感应电机的结构原理和运行性能有了相当 统带来了新的生命力，这也为高性能的交流感应电机提供了技术支持。 交流电机特别是鼠笼异步电机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且 坚固耐用、惯量小，运行可靠、很少需要维护、可以用于比较恶劣环境等优点， 在工农业生产中得到了广泛的应用。但是交流电机是一个多变量、非线性、强耦 合的被控对象，励磁电流和转矩电流耦合在一起，使的交流电机的调速比较困难， 早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻 调速，2 0 世纪3 0 年代提出了绕线式异步电机串级调速方法，这些方法都是在电 机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调节转差率，效率都很低。另外一类调速方 法是调节电机旋转磁场的同步速度，这是一种高效的调速方法，可以通过变极或 者变频来实现，其中变极调速只能有极调速，应用场合有限。 随着现代控制理论，新型大功率电力电子器件，新型变频技术以及微处理器 数字控制技术的发展，交流电机变频调速技术取得飞速的发展，变频调速由于性 能优越而格外受到重视。交流电机的变频调速既适合于异步电机，也适合于同步 电机。交流电机采用变频调速不但可以实现无极调速，而且可以根据负载的特性 不同，通过适当调节电压和频率之间的关系，使电机始终运行在高效区，并保证 良好的动态特性。交流变频调速系统在调速时和直流电机变压调速系统相似，机 械特性基本上平行上下移动，而转差功率不变。同时交流电机采用变频起动，更 能够显著改善交流电机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩， 可见变频调速是一种理想的交流电机调速方法。 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。从变频器 主电路的结构形式上可分为交一交变频器和交一直一交变频器。交一交变频器把 一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，这里 不予介绍。交一直一交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电， 再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交一直一交变频器主 电路有两种，原理图如图1 1 和图1 2 所示。 电压型变频器在电路中间直流环节采用大电容滤波，如图1 - 1 所示，直流电 硕士学位论文 量皇曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量量曼曼曼曼曼詈量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼i i i! ! ili - - - ! a c d c 整，1 l逆 【，d 流 f 变 直流环节 图l - l 电压型变频器图1 2 电流型变频器 压波形比较平直，类似于电压源，称之为电压型变频器。电流型变频器的中间直 流环节采用大电感滤波，见图1 2 所示。直流电流波形比较平直，施加在负载上 的电流值几乎稳定不变，其特性类似于电流源，称之为电流型变频器。本文采用 的是图1 1 所示的变频器【引。 1 4 直接转矩控制技术的研究现状 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的德彭布罗克( m d e p e n b r o c k ) 教授提出了一种称为直 接转矩控制的控制方法，随后日本的塔卡哈什( i t a k a h a s h i ) 等人也提出了类似的 控制方法侈】。它与以往的矢量控制的解耦控制方法不同，不需要把电机的定子电 流分解为磁链分量和转矩分量，而是借助瞬时空间矢量理论，采用空间电压矢量 的分析方法，简单地通过检测定子电压和定子电流，直接在定子坐标系下计算电 机的磁链和转矩，并根据反馈值与给定值的差值来来选择电压空间矢量的状态， 通过控制p w m 型逆变器晶体管的切换方式，控制异步电机的瞬时输入电压，在 保持电机定子磁链恒定的条件下，控制异步电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改 变它对转子的瞬时转差率，直接控制电机的瞬时电磁转矩及其变化率，得到电机 的快速动态响应。直接转矩控制的提出是继矢量控制后的又一个重大发展，近年 来对异步电机的直接转矩控制的研究异常活跃，直接转矩控制和矢量控制相比有 以下几个主要特点。 ( 1 ) 直接转矩控制在定子坐标系下分析电机的数学模型，由逆变器开关状态直 接控制电机的磁链和转矩。 ( 2 ) 直接转矩控制磁链观测所用的是定子磁链，在通常情况下只要知道定子电 阻就可以把它观测出来。 ( 3 ) 直接转矩控制采用瞬时空间矢量的概念来分析电机的数学模型和控制其 各物理量，使问题变得简单明了。 ( 4 ) 直接转矩控制包括转矩调节和磁链调节两个方面，可以对磁链进行直接调 节，易于实现弱磁控制，因而具有宽广的调速范围。 ( 5 ) 直接转矩控制没有电流环，不需要专门的p w m 波形发生器，因而控制系 交流提升机直接转矩控制技术研究 统线路简单，特别适合用电压型逆变器，方便实现数字化控制。 目前该技术已成功的应用在电力机车牵引及大功率交流传动上。德国、瑞士、 日本，目前已取得较大发展。直接转矩控制技术各方面性能都在不断提高，并已 进入实用阶段，国外目前已经成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨 电车的主传动控制系统中。例如，日本研制成功的1 5 k w 直接转矩控制变频调速 装置，其转矩响应频率高达2 k h z ，冲击转矩瞬时可以达到额定转矩的2 0 倍，使 电机从+ 5 0 0 至5 0 0 转分的反转时间只有4 m s ，在电气传动领域中，这几项指标 均居目前世界最高纪录。今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件( g i t b ， g i c t ) 及数字化控制元件( 如m t s 3 2 0 x c x 数字信号处理及其他3 2 位专用数字化 模块) 向工业生产应用推出全数字化最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置。 目前，市场上采用直接转矩控制技术的变频器还不是很多。瑞典的a b b 公司最 先推出的a c s 6 0 0 就属于这一类产品。a c s 6 0 0 的基本结构是交一直一交变频， 选用i g t b 功率开关元件，以及具备强大信号处理功能的马达控制器a m c ，实现 对异步机的直接转矩控制。它能把转矩响应限制在一拍( 1 5 m s ) 之内，且无超调。 a c s 6 0 0 的静态精度为0 0 2 ，开环转矩阶跃响应上升时间为5 m s ，而矢量控制 的上升时间为l o o m s 。起动转矩平稳可控，最大起动转矩可达2 0 0 ，零速转矩可 达1 0 0 。另外，该产品还配有数据通信接口，可通过总线对其进行编程、监控 和人机对话。 但是直接转矩控制作为一种诞生不久的新理论、新技术，自然又有其不完善、 不成熟之处。目前，定子磁链观测器、转矩观测器、无速度传感器是其研究的热 点。现代直接转矩控制技术方向是基于空间矢量脉宽调制、模糊控制、神经网络 控制、模糊神经网络控制、非线性控制、变结构控制，使得直接转矩控制技术控 制性能更加完善。 1 5 本论文的主要研究内容 课题的主要工作： ( 1 ) 把交流提升机分成了提升子系统、制动子系统、电气子系统三部分，分别 进行分析并建立了相应的动力学或电学方程式。 ( 2 ) 在电气子系统中，建立了异步电动机在任意旋转坐标系和静止坐标系下的 动态数学模型，在此基础上得到了交流电动机总体仿真模型； ( 3 ) 对传统直接转矩控制理论进行系统阐述，提出一种新的电压矢量选择方 法，通过仿真验证了此方法的有效性。 ( 4 ) 由于传统直接转矩控制存在缺点，提出基于空间电压矢量调制直接转矩控 制策略( s v p w m ) ，通过比较，验证了改进策略在提高系统控制性能方面的有效性。 硕十学位论文 第2 章提升子系统的动力学模型 矿井提升机作为矿山生产中的关键设备，其种类繁多。我国矿山上使用的提 升机主要是单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机，其中以单绳缠绕式提升机居 多。单绳缠绕式提升机又可分为单容器式和双容器式，我国早期小型矿井采用的 多为单容器式，由于双容器式提升机的工作效率比单容器式的要高，后来大型矿 井多采用双容器式的提升机。本课题以当前国内应用较多的单绳缠绕式矿井提升 机的提升部分为建模和研究对象。 本章是从建立提升机机电耦合模型的需要出发，建立并分析提升子系统的动 力学模型。 2 1 机电系统耦合分析及模型的建立 电磁转矩直接耦合是机电耦合的基本形式，电动机由电磁场相互作用产生电 磁转矩，经传动装置驱动工作机械，通过电气传动控制系统来控制工作机械的运 动形式、状态和运动轨迹，实现系统的设计功能。这种耦合形式的物理过程可用 电磁转矩方程和传动系统动力学方程来描述。 电磁转矩方程： 互= q 丸厶c o s o =( 2 1 ) 式中，贮电动机电磁转矩； g 电动机电磁转矩常数； 丸电动机磁通； 厶折算到定子侧的转子电流幅值； 幺转子侧等效电路的功率因数角。 动力学方程： r , - 乃= 等等 ( 2 2 ) 式中乃电动机传动轴的等效负载转矩； 以电动机转速； g d 2 电动机转子和传动部件的总转动惯量。 机电耦合系统主要由电网络和机械网络组成，全部能源来自电源，通过电磁 耦合场联系起来，实现机电能量的转换( 如图2 1 ) 。 交流提升机直接转矩控制技术研究 电网络 机械慝绍 速度、位移 图2 1 机电耦合系统构成框图 在机电系统中，一般只分为机械系统和电气系统，电机的转子和机械运转部 分属于机械系统，电机的电器和传感器、控制系统、电源组成电气系统。在机电 传动系统中，控制系统控制电动机的电流( 或电压) ，输出转矩；机械系统在电动 机作用下，产生运动，被控的运动量反馈给控制系统( 如图2 2 ) 。 互p 图2 2 机电系统的耦合关系图 其中，瓦是电机的电磁转矩，驱动机械传动系统运转。运转速度9 反馈给控制系统， 引起电气系统输出转矩的变化 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 广一。一一一一一一。一一一一1r 。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图2 3 交流提升机划分成三个子系统的结构简图 8 硕十学位论文 交流提升机可以分成三个子系统：电气子系统、提升子系统、制动子系统。 电气子系统主要由电源、变频器、电动机组成；提升子系统主要由减速器、卷筒、 钢丝绳、罐笼等组成；制动子系统主要由制动器和液压站组成( 图2 3 ) 。目前矿山 生产中普遍采用的是液压盘式制动器。其中，电气子系统和提升子系统主要通过 转矩耦合在一起，提升子系统和制动子系统主要通过转速耦合在一起。 2 2 提升子系统的组成 矿井提升子系统由井筒、罐笼( 或者箕斗) 、天轮、提升钢丝绳、卷筒、减速 器等组成( 图2 4 ) ，生产实际中的立井罐笼提升系统示意图( 图2 5 ) 。 匾蠡黄轮传动机构 图2 4 矿井提升系统结构简图 目前，对大型矿山机械设备的研究还处于初步阶段，对各种载荷的研究也只 是有了一些大概的数据供工程设计使用。由于实际生产中的载荷大都处于随机变 化之中，且变化非常复杂，所以，在提升系统中，只能采用理论计算和实际经验 相结合的方法确定载荷。一般来说，首先采用简化的方法计算提升系统在工作过 程中可能产生的各类载荷，然后根据基本理论和实际经验，得到具体工况下可变 的载荷计算公式。 2 3 提升系统中的动载荷 2 3 1 提升系统的风载荷 风对结构物的作用是一个较复杂的问题，风产生的压力不仅与风的大小有关，还与 图2 5 立井罐笼提升系统示意图 l 一井筒2 一罐笼3 一卷筒仁天轮5 一提升钢丝绳仁井架7 一井架斜撑 n = ( k - 1 ) m g = 0 2 r a g ( 2 3 ) 式中，运动产生的风载荷； 掰提升货载质量； k 矿井阻力系数( 提升容器为罐笼时，k = 1 2 ) 。 这是一个经验公式，实际风载荷不仅与提升货载有关，而且与具体的运动有 关。 在井筒中，可以把空气的流动当作是静止的，在罐笼以某一速度v 向上或向 下运行的过程中，不可避