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摘要：电子技术在煤炭工业中的应用很广，尤其是电机的调速。传统的交流调压技术主要是基于晶闸管调压和交流斩波调压的，二者突出的优点是结构简单、成本低廉。文章主要是基于SPWM电机调速在煤矿中的应用的简单研究，提高我们对SPWM技术发展的关注。
关键词：SPWM；煤矿；变频调速装置；异步电动机
中图分类号：F270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0105-02
1 概述
随着科学技术的飞速发展，由于变频调速装置具有优异的节电效果和方便的电机调速性能，被广泛地应用于现代化煤矿的采煤机、皮带机、风机等需要频繁启动的大功率电机上。SPWM技术得到越来越多的关注，应用的范围越来越广。
2 异步电动机的SPWM调速原理
SPWM波形的形成方法也叫三角波调制法，它采用正弦波调制信号和三角载波信号通过比较器进行比较。正弦调制波与三角形载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。SPWM法是一种比较成熟，且目前使用较广泛的方法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。电路有两种控制方法：相位控制和通断控制。相控方式具有改变输出电压值的作用，但不能变频，和它对应的还有三相调压电路，也采用相位控制方式，早期常用于电动机降压启动中，但在电源中产生大量谐波，因此可能会影响其他电器设备的正常使用，通断控制不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，接通了m个周期，断开了n个周期，从而改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，这种控制方式缺点在于电流中虽然不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率的谐波含量较大。
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流-交流（DC-AC）逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频SPWM技术在电机调速中得到了广泛应用。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点，但在整个周期内处于交替互补导通状态，输出波形在任何T/2内均会出现正负交替的情况。根据调制脉冲极性又可分为单极性型和双极性型。
3 煤矿中的调速
变频器是精密的电子设备，其内部的电子器件的性能与温度密切相关。为了保证器件正常运行，必须规定最高允许温度。温度过高，器件特性与参数将会发生变化，甚至导致器件产生永久性的烧坏现象，并且井下环境恶劣、散热条件差，因此散热问题是井下变频器遇到的最大难题。本论文要从变频器的结构及基本工作原理出发：
（1）提升机提升和下降的行程控制分为两个过程：一个为正向提升行程，另一个为反向下降行程。行程控制主要将提升机的升降过程划分成不同的行程区间，根据每一行程区间的实际情况，可以用不同的变频调速控制提升机的升降速度。行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程中的变频调速，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好地防止提升机过卷、过放、脱轨和翻车等事故发生，特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。
（2）煤矿提升机的运行特点是在特定的环境条件下，以设定的速度做往复运动，完成人员和物料的升降运输任务“为确保提升机能够安全、高效、可靠地连续作业，整个装备应具备良好的机械操控性能，优良的电气控制设备和可靠的安全保护装置”。鉴于提升机在煤矿安全生产中所处的重要地位，要求其电力传动系统具备运行可靠、节能高效、灵活操控和准确定位的性能特征，以满足煤矿安全生产的需要。
（3）采用变频技术不仅缩小了驱动装置的布置空间，而且可以实现软启动。在带式输送机中装入皮带秤动态称重反馈控制，还可以实现带式输送机随物料多少进行的变速运输、重载加速、轻载减速、空载时停机。这样不仅提高了运输效率而且还节省了宝贵的电能资源，且使带式输送机横向尺寸大大减小，结构紧凑、轻巧，方便与现场设备配置，适用于机头位置狭小的场合，因而不需要许多齿轮降速，也节省了许多成本。
（4）用变频调速装置配合鼠笼电机驱动粘弹塑性体的带式输送机，延迟特性严重，并且随输送距离、输送量的增大变得更为明显。带式输送机的旋转部件（托辊、滚筒）较多，由于加工、安装、维修等的差别以及输送量的随机变化，都会产生大量的随机干扰。因此，带式输送机的带速与变频器的输入频率之间的关系就具有很大的模
糊性。
4 结语
交流调压电源在当今的国民生活生产中发挥着至关重要的作用，比如：电动机软启动、风机和水泵的速度控制等领域。随着工业的发展，人们要求交流调压电源必须安全可靠、节能环保等特点，与此同时电力电子技术和微控制器的发展为设备小型化、轻量化提供了可靠的保证。以传统的SPWM逆变器为基础，全面探讨新型的逆变调压电路，并在煤矿中得到应用。通过改进算法实现新型的交流调压电源，系统输出电压可调范围宽，安全稳定。
参考文献
[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工
业出版社，2005.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业
出版社，2009.
[3]刘风君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器
[M].北京：电子工业出版社，2010.
（责任编辑：文 森）
关键词：SPWM；煤矿；变频调速装置；异步电动机
中图分类号：F270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）09-0105-02
1 概述
随着科学技术的飞速发展，由于变频调速装置具有优异的节电效果和方便的电机调速性能，被广泛地应用于现代化煤矿的采煤机、皮带机、风机等需要频繁启动的大功率电机上。SPWM技术得到越来越多的关注，应用的范围越来越广。
2 异步电动机的SPWM调速原理
SPWM波形的形成方法也叫三角波调制法，它采用正弦波调制信号和三角载波信号通过比较器进行比较。正弦调制波与三角形载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的。SPWM法是一种比较成熟，且目前使用较广泛的方法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。但是，由相电压合成为线电压时，所得到的线电压脉冲系列却是单极性的。电路有两种控制方法：相位控制和通断控制。相控方式具有改变输出电压值的作用，但不能变频，和它对应的还有三相调压电路，也采用相位控制方式，早期常用于电动机降压启动中，但在电源中产生大量谐波，因此可能会影响其他电器设备的正常使用，通断控制不是在每个交流电源周期都对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，接通了m个周期，断开了n个周期，从而改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率，这种控制方式缺点在于电流中虽然不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率的谐波含量较大。
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流-交流（DC-AC）逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。近几年来，由于场控自关断器件的不断涌现，相应的高频SPWM技术在电机调速中得到了广泛应用。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等。基于SA8281和89C52的变频器具有电路简单、功能齐全、性能价格比高、可靠性好等优点，但在整个周期内处于交替互补导通状态，输出波形在任何T/2内均会出现正负交替的情况。根据调制脉冲极性又可分为单极性型和双极性型。
3 煤矿中的调速
变频器是精密的电子设备，其内部的电子器件的性能与温度密切相关。为了保证器件正常运行，必须规定最高允许温度。温度过高，器件特性与参数将会发生变化，甚至导致器件产生永久性的烧坏现象，并且井下环境恶劣、散热条件差，因此散热问题是井下变频器遇到的最大难题。本论文要从变频器的结构及基本工作原理出发：
（1）提升机提升和下降的行程控制分为两个过程：一个为正向提升行程，另一个为反向下降行程。行程控制主要将提升机的升降过程划分成不同的行程区间，根据每一行程区间的实际情况，可以用不同的变频调速控制提升机的升降速度。行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程中的变频调速，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好地防止提升机过卷、过放、脱轨和翻车等事故发生，特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。
（2）煤矿提升机的运行特点是在特定的环境条件下，以设定的速度做往复运动，完成人员和物料的升降运输任务“为确保提升机能够安全、高效、可靠地连续作业，整个装备应具备良好的机械操控性能，优良的电气控制设备和可靠的安全保护装置”。鉴于提升机在煤矿安全生产中所处的重要地位，要求其电力传动系统具备运行可靠、节能高效、灵活操控和准确定位的性能特征，以满足煤矿安全生产的需要。
（3）采用变频技术不仅缩小了驱动装置的布置空间，而且可以实现软启动。在带式输送机中装入皮带秤动态称重反馈控制，还可以实现带式输送机随物料多少进行的变速运输、重载加速、轻载减速、空载时停机。这样不仅提高了运输效率而且还节省了宝贵的电能资源，且使带式输送机横向尺寸大大减小，结构紧凑、轻巧，方便与现场设备配置，适用于机头位置狭小的场合，因而不需要许多齿轮降速，也节省了许多成本。
（4）用变频调速装置配合鼠笼电机驱动粘弹塑性体的带式输送机，延迟特性严重，并且随输送距离、输送量的增大变得更为明显。带式输送机的旋转部件（托辊、滚筒）较多，由于加工、安装、维修等的差别以及输送量的随机变化，都会产生大量的随机干扰。因此，带式输送机的带速与变频器的输入频率之间的关系就具有很大的模
糊性。
4 结语
交流调压电源在当今的国民生活生产中发挥着至关重要的作用，比如：电动机软启动、风机和水泵的速度控制等领域。随着工业的发展，人们要求交流调压电源必须安全可靠、节能环保等特点，与此同时电力电子技术和微控制器的发展为设备小型化、轻量化提供了可靠的保证。以传统的SPWM逆变器为基础，全面探讨新型的逆变调压电路，并在煤矿中得到应用。通过改进算法实现新型的交流调压电源，系统输出电压可调范围宽，安全稳定。
参考文献
[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京：机械工
业出版社，2005.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业
出版社，2009.
[3]刘风君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器
[M].北京：电子工业出版社，2010.
（责任编辑：文 森）