近年来，随着金属非金属地下矿山开采规模和深度的加大，矿井中段增多，矿用电梯作为新型辅助提升设备，在金属非金属矿山盲竖井多中段垂直辅助提升方面得到了快速发展[1]。由于涉及人身安全，目前矿用电梯已经列入了矿用产品安全准入目录，而矿用电梯曳引机作为核心部件，其负载性能直接影响矿用电梯的安全性和可靠性，也是矿用电梯安全准入考核的重要指标。

矿用电梯曳引机由电动机、联轴器、减速器、导向轮、曳引轮等组成[2]。

目前，矿用电梯曳引机可分为有齿曳引机和无齿曳引机[3]。有齿曳引机采用交流异步电动机或直流电动机，通过减速器将动力传输到曳引轮，该方式存在噪声大、效率低、维护困难等问题[4];无齿曳引机直接使用电动机带动曳引轮运行，减少了减速传动环节，具有传动效率高、噪声低、传动平稳等优点[5]。

矿用电梯无齿曳引机采用永磁同步电动机作为动力源，具有低速大扭矩的特点，且维护保养方便，结构简单、功率因数高[6,7]。由于矿用电梯存在带重载起动和低速大扭矩的需求，存在起动困难和试验加载方式加载效率低等问题，需要专门的起动技术和加载试验设备才能完成矿用电梯无齿曳引机的负载性能试验[8]。因此，矿用电梯无齿曳引机负载性能试验系统直接影响矿用电梯安全准入的性能验证。目前，永磁同步电动机常用的加载方式为同功率等级的电机对拖、减速器串直流他励电动机等加载方式，但减速器串直流他励电动机的加载方式存在建设成本高、效率低和试验周期长等问题。本文结合矿用电梯无齿曳引机的特点，构建了适合矿用电梯无齿曳引机负载性能试验系统。

1、矿用电梯无齿曳引机负载性能试验依据及试验方法

试验系统的目标为满足100 kW矿用电梯无齿曳引机的试验要求，矿用产品安全准入涉及的负载性能试验项目及试验方法详见表1。

表1 矿用电梯无齿曳引机负载性能试验项目和试验方法

本文主要针对矿用电梯无齿曳引机试验项目中需要专用的负载性能试验系统才能完成的试验项目，开展加载试验研究。

过载转矩试验能验证矿用电梯无齿曳引机中永磁同步电机是否具备一定的过载能力，在发生过载后能否正常运行。《电梯曳引机》(GB/T 24478—2009)中规定，过载转矩不应小于1.5倍；曳引机线圈温升和曳引机温度均是在额定工况下对曳引机整机及部件的发热情况进行验证；负载运行能力是在110%额定载荷下运行时，矿用电梯起动、停止应能正常运行。因此，在设计加载试验系统时，应考虑1.5倍的电机加载能力和适当的起动能力，同时满足《电梯曳引机》(GB/T 24478—2009)和《矿用电梯安全技术要求》(AQ 2069—2019)的相关要求。

2、无齿曳引机加载试验系统

拟构建的试验系统由控制装置、被试矿用电梯无齿曳引机、转速转矩传感器、加载试验装置和加载负荷控制装置5部分组成，目标是满足额定功率100 kW矿用电梯无齿曳引机负载性能试验。试验系统构成如图1所示。

图1 试验系统构成   

控制装置用于控制矿用电梯无齿曳引机的起动和制动；转速转矩传感器安装在无齿曳引机与加载试验装置之间，用来测量无齿曳引机的转速转矩；加载试验装置需要方便快捷地提供试验所需载荷，有机械传动加载、电气传动加载和磁粉制动3种方式。机械传动加载指的是通过减速器或制动器对被试产品进行加载，具有加载控制困难、精度低、使用范围小等缺点，本方案不采用。电气传动加载是通过控制电机实现加载，该方式控制方便、效率高。根据加载电动机的类别，电气传动加载又可分为直流电动机加载、异步电动机加载、永磁同步电动机加载。由于无齿曳引机具有低速大扭矩的特点，而直流电动机直接与无齿曳引机配套进行试验时，二者的转速转矩很难同时匹配，且能量回馈也存在一定问题，因而不采用该加载方式。由于永磁同步电动机的加载方式建设成本高且起动控制困难，也不采用该加载方式。相比之下，异步电动机的结构更为紧凑，操作更为便捷，并且建设成本更为经济。磁粉制动器采用电磁学的基本原理，通过磁粉传递转矩，具有反应迅速、结构紧凑、噪声更少的特点。此外，磁粉负荷控制系统可以灵敏地控制测量设备的负载，从而使测量设备的运行更为稳定。因此，采用了异步电动机加载方式和磁粉制动器加载试验装置构建试验系统。

2.1 加载试验装置的研究

2.1.1 异步电动机加载试验装置

异步电动机加载试验装置由试验电源、被试无齿曳引机、转速转矩传感器、交流陪试电动机和变频器构成。变频器为四象限变频器，用于控制交流陪试电动机。在加载过程中，交流陪试电动机处于发电状态，其发出的电能通过变频器经交流母线回馈至控制装置[9]给被试无齿曳引机供电，形成内部能量回馈。异步电动机加载方式电气原理如图2所示。

图2 异步电机加载方式电气原理  

目前最大功率的矿用电梯无齿曳引机参数包括：额定电压为380 V,额定电流为120 A,额定功率为54.3 kW,额定频率为45.5 Hz, 极数为20极，额定转速为273 r/min, 额定转矩为1910 N·m, 工作制为S5-50%。

电动机转矩、转速和功率的关系见式(1)。

P=Tn9550 (1)

式中，P为电机的额定功率，kW;T为电机的额定转矩，N·m; n为电机的额定转速，r/min。

拟采用的电动机为4极，根据式(1),额定功率为100 kW的矿用电梯无齿曳引机对应的转矩约为4198 N·m, 可大致得出陪试电机功率约为650.6 kW。考虑到试验时过载转矩的试验要求，配套陪试交流变频电动机的参数确定为：额定电压660 V,极数为4极，额定功率为900 kW。

2.1.2 磁粉制动器加载试验装置

磁粉制动器的工作原理为：

(1) 磁粉制动器是利用磁粉作为介质的制动组件，在通电状态下将扭矩传输到内部和外部，并通过励磁线圈将其转化为一种磁性物质；

(2) 当电源断开时，主动转子产生旋转，磁粉被抛向内壁，由于不与从动转子接触，因此不会影响主动转子运行；

(3) 当连接上直流电源时，制动器会感受到一股强大的电磁场，这股电磁势使得内外转子之间以及它们所处的环境中都能够被磁粉所吸引，并且相互连接，最终实现传递和产生刹车扭矩。

磁粉制动器加载试验装置由试验电源、被试无齿曳引机、转速转矩传感器、磁粉制动器及控制器组成，其电气原理如图3所示。

图3 磁粉制动器加载方式电气原理   

磁粉制动器具有良好的转矩传递效果，它的励磁电流与转矩之间存在着明显的线性相互作用，而且不受滑差的影响，具有极高的反馈效率，而且控制灵活、结构紧凑、环保、安静，并具有低冲击振动的特点，有效地降低了能耗。本文选用磁粉制动器对被试无齿曳引机进行加载，磁粉制动器额定转矩为5000 N·m。

控制器控制磁粉制动器励磁线圈的电流从而改变其输出扭矩，实现加载。控制器额定电压为36 V,额定电流为3.5 A。

2.2 无齿曳引机驱动单元构建要求

矿用电梯无齿曳引机配套使用永磁同步电动机，存在起动困难、低速大扭矩等问题，对此进行了分析探讨。

2.2.1 三相永磁同步电动机数学模型

根据永磁同步电动机的原理，其理论转矩为：

Te=32(4πkωNph)(DL)(Bmsinβ2)Imsinδ=μ0DLPgdFrFssinδ         (2)

式中，Fr为转子磁动势，Fr=(4πBmsinβ2)μ0gd;Fs为每极定子合成磁动势幅值，Fs=32kωNphImP;kω为基波绕组因数；Nph为每相串联总匝数；D为定子铁芯直径；L为定子铁芯轴向长度；Bm为运行磁通密度；P为转子极数；gd为有效气隙长度；Im为定子电流幅值；μ0为空气磁导率；β为极弧角；δ为定转子磁动势之间的夹角[10]。

能否准确判断初始相位是永磁同步电动机能否正常起动的关键环节，因此，准确检测初始相位直接关系到永磁同步电动机的成功起动。永磁同步电动机反电势与转速呈正向关系，起动瞬间转速为零，反电动势也接近零，利用反电动势判断初始相位和速度的方法不可行[11]。初始相位检测的解决方法有以下几种。

(1) 预定初始相位法。

在永磁同步电动机起动前，将转子磁极精确地调节给定相位，从而实现永磁同步电动机的起动。该方法利用电流矢量控制，使转子在一段时间内保持固定的相位，通过调节逆变器驱动器中的二极管开关，实现转子的旋转，适合于起动扭矩较低的工况，不能满足矿用电梯大扭矩的起动要求。

(2) 编码器初始相位检测法。

将编码器转轴与永磁同步电动机的转子轴通过机械硬链接，实现对转子位置、转速的检测，通过编码器信号计算转子磁极位置，可以有效地提升起动平顺性，但需要用编码器外置检测，安装调试复杂，系统可靠性低。

(3) 矢量励磁技术法。

将一个电压脉冲施加到定子线圈中，使得定子线圈中的磁场达到一定的强度，从而实现定子线圈中磁场的饱和，引起电感变化，最终改变电枢电流。通过电枢电流幅值跟转子位置角的关系，实现定子线圈的初始相位检测，但该方法对检测设备精度要求高。

(4) 旋转高频信号注入法。

施加一个三相平衡的高频电压矢量，并利用两相静止坐标系的特性，检测永磁同步电动机所产生的电流分量，并对其进行相位处理，可以有效地检测电动机的转子初始相位，但该控制方法受数字滤波器的解调延时和控制采样、计算等影响，控制存在延时等问题。

(5) 脉振高频信号注射法。

通过把高频信号映射到两相静止坐标系，可以准确地获得转子的相位信号。这种技术可以用来检测高频信号的相位精度，特别是针对具有不同相位的电动机[12,13]。

针对矿用电梯无齿曳引机的安装难题，以及起动扭矩高的问题，利用脉冲电压矢量注入法估算永磁同步电动机在低速和零速条件下的转向，解决矿用电梯无齿曳引机试验时的起动问题。

2.2.2 对驱动装置的要求

电压脉冲矢量是控制三相全桥逆变器进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)发出PWM波时产生的6个开关状态形成的，在一个周期内，通过6个基本矢量组成，由控制开关的导通时间使输出的平均电压与给定电压矢量值相等[14,15]。对于给定电压脉冲矢量Uref,脉冲作用时间计算与矢量空间和角度相关，当电压脉冲矢量落在第Ⅰ扇区时，计算如下：

Uref=T1TPWMU1+T2TPWMU2 (3);T2=3√UrefUdcTPWM,sinθ;TPWM为PWM波周期；Udc为逆变器直流母线电压；Uref为在第一扇区时任意时刻的电压；U1,U2为两个基本矢量[16,17]。

控制系统采用SVPWM时，逆变器输出的最大内切圆电压空间矢量如图4所示。检测过程中的电压脉冲幅值的最大值为Udc3√[18]

图4 最大内切圆电压空间矢量   

设定子电流作用时间为Ton,定子电流作用时间短，由角动量定理可得：

M=ΔLTon (4)

式中，M为合外力矩；ΔL为角动量变化量。

由式(2)和式(4)得知：

M=μ0DLPgdFrFssinδ (5)

设电动机转动的最小角动量为ΔLm,为使电动机静止，施加电压矢量的角动量应小于ΔLm,则有：

ΔL=μ0DLPgdTonFrFssinδκ (6)

当电压矢量和转子磁链相差90°时，角动量最大，最容易导致电动机转动[19,20]。

本文选择三电平NPC结构的逆变器作为算法试验平台，三电平NPC带中线的逆变器具有中点自平衡、电压等级高、容量大等优点[21,22]。注入幅值120 V,频率100 Hz的旋转高频信号。通过电流采样，可以计算出永磁同步电动机的磁链初始角位置，三电平NPC结构电气回路见图5[23,24,25]。

图5 三电平NPC结构电气回路   

通过计算、分析，提出驱动装置相应的技术要求、配套选型，构建了100 kW的矿用电梯无齿曳引机负载性能试验系统。

3、试验验证

为了进一步分析加载装置的稳定情况和起动加速情况，选用现有最大功率的54.3 kW矿用电梯无齿曳引机[26],采用前述确定的异步电动机、磁粉制动器作为加载装置，对试验过程中的加载稳定性和矿用电梯无齿曳引机驱动装置的起动性能进行了试验验证。

3.1 加载装置验证

3.1.1 异步电动机加载

采用异步电动机作为加载装置，试验系统起动达到预定试验转矩且稳定后，由转速转矩传感器测得稳态时转矩波动数据，如图6所示。

图6 异步电动机稳态时转矩波动数据   

由图6可知，加载时转矩在(1925±30) N·m范围内波动，转矩控制基本稳定。

3.1.2 磁粉制动器加载系统

采用磁粉制动器作为加载装置，试验系统起动达到预定试验转矩且稳定后，由转速转矩传感器测得稳态时转矩数据，如图7所示。

图7 磁粉制动器稳态时转矩数据  

从图7可知，加载时转矩在(1945±5) N·m范围内波动，转矩控制得非常稳定。

3.2 试验操作性

加载装置的调整情况如下。

(1) 异步电动机加载。

对矿用电梯无齿曳引机进行试验时，通过调节异步电动机的转速、转矩实现负载，每调整到一个预定试验目标，均需要对转矩值及转速值进行调整。

(2) 磁粉制动器加载。

对矿用电梯无齿曳引机进行试验时，只需改变磁粉制动器控制器的电流即可调节被试曳引机的转矩，其转矩值与控制器的电流成线性关系，加载性能稳定，且响应速度快。

3.3 驱动单元的验证

被试矿用电梯曳引机的转速、转矩均由变频装置控制，因此，对被试件仅需调整设定变频装置参数就能达到预期目标。

对加载试验系统驱动单元的起动情况进行了试验验证，分别设置加速时间为80 s、30 s、15 s、10 s, 被试矿用电梯无齿曳引机运行平稳、均能可靠起动，转速 - 时间曲线如图8至图11所示。

图8 加速时间80 s的转速 - 时间曲线   

图9 加速时间30 s的转速 - 时间曲线   

图10 加速时间15 s的转速 - 时间曲线   

图11 加速时间10 s的转速 - 时间曲线   

验证试验表明：本文选用的驱动单元可以平滑地起动无齿曳引机，曳引机运行平稳。

4、结论

针对矿用电梯无齿曳引机低速大扭矩起动的特点和分析计算，提出满足100 kW矿用电梯无齿曳引机性能试验系统的方案，完成了矿用电梯无齿曳引机负载性能加载试验系统的构建，验证试验表明：

(1)采用转子初始相位识别功能的三电平NPC结构逆变器可以有效解决矿用无齿曳引机起动困难的问题；

(2)采用磁粉制动器加载可以实现快速响应和平稳加载的需求。

矿用无齿曳引机性能试验系统的构建，为国家实施矿用电梯安全准入提供了技术依据和支撑，解决了制约矿用电梯安全准入检测验证的瓶颈问题。

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文章来源:秦海鹏,刘东,向艳芳.矿用电梯无齿曳引机检测试验研究[J].矿业研究与开发,2023,43(11):177-182.