軟起動(dòng)器控制的礦山皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)研究*

羅金盛

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院)

作為礦山的高效連續(xù)運(yùn)輸設(shè)備，礦山皮帶機(jī)具有大運(yùn)量、長距離、連續(xù)輸送等特點(diǎn)。同時(shí)礦山皮帶機(jī)便于集中自動(dòng)控制，運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)，已成為礦山機(jī)電一體化的關(guān)鍵設(shè)備［1］。

由于礦山產(chǎn)能擴(kuò)大，皮帶輸送機(jī)朝著大功率、更長距離、更大運(yùn)量、高速等方向發(fā)展。對(duì)皮帶輸送機(jī)的起動(dòng)要求進(jìn)一步提高，主要體現(xiàn)在對(duì)起動(dòng)電流加以限制。本研究探討一種帶有速度控制功能的雙閉環(huán)礦山皮帶機(jī)軟起動(dòng)器，可以在限制軟起動(dòng)過程電流的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)速度時(shí)間最優(yōu)跟隨。

1 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器基本原理分析

1.1 異步電動(dòng)機(jī)等效電路

圖1為異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路圖，其中r1表示定子電阻，r'2表示已折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，rm表示勵(lì)磁電阻，x1表示定子漏電抗，x'2表示轉(zhuǎn)子漏電抗，xm表示勵(lì)磁電抗，s表示轉(zhuǎn)差率。

異步電動(dòng)機(jī)的定子電流可以表示為

圖1 異步電動(dòng)機(jī)等效電路

可以看出，定子電流與定子電壓向量成正比，即通過控制定子電壓，可以改變定子電流大小。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩可以表示為

式中，m1為相數(shù);Ωs為電源角頻率。

可見，轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，通過控制定子電壓可以改變轉(zhuǎn)矩T。

1.2 軟起動(dòng)器主回路［2］

上述分析表明，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)矩同時(shí)受到定子電壓控制，可以將交流調(diào)壓器用于異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器。軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主回路由3組反并聯(lián)晶閘管(VT1～VT6)裝置構(gòu)成，只要控制好每組晶閘管的觸發(fā)角，就可以控制每相交流電的導(dǎo)通范圍，從而改變定子電壓的有效值。

圖2 軟起動(dòng)器主回路結(jié)構(gòu)

2 皮帶機(jī)用軟起動(dòng)器系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

皮帶機(jī)軟起動(dòng)器主要是取代直接起動(dòng)方式，可以限制整個(gè)起動(dòng)過程的電流，避免出現(xiàn)直接起動(dòng)方式中的磁力起動(dòng)器及上級(jí)配電開關(guān)跳閘，可減少磁力起動(dòng)器燒毀、減速器、耦合器損壞等故障或事故。

根據(jù)皮帶機(jī)工作原理，速度是其被控量，而軟起動(dòng)器中最終被控量是異步電動(dòng)機(jī)的電壓，需要構(gòu)建起這兩者的控制關(guān)系，同時(shí)要考慮到軟起動(dòng)器的電流限制這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此可知，軟起動(dòng)器的控制過程中出現(xiàn)對(duì)電壓、電流的控制要求，其控制策略可以借鑒直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制思想［3］，但是需要考慮異步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行修改。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在軟起動(dòng)器中，三相交流調(diào)壓器需要3組共6個(gè)晶閘管裝置，其觸發(fā)脈沖的控制尤為重要?？刂浦?，同相兩個(gè)晶閘管觸發(fā)脈沖相差180°，3組觸發(fā)脈沖對(duì)應(yīng)脈沖相差120°。

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速和電流2個(gè)PI調(diào)節(jié)器，考慮到皮帶軟起動(dòng)器和交流調(diào)壓器的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都是單向限幅，即最終控制異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓最低值為0，最大值為電網(wǎng)電壓。如果需要皮帶機(jī)反向運(yùn)行，只需在控制主回路更換定子任意兩相接線，其余控制同上。

3 系統(tǒng)建模與仿真

建立皮帶軟起動(dòng)器的模型如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)皮帶軟起動(dòng)器仿真模型

整個(gè)模型主要有速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)角調(diào)整、脈沖發(fā)生器，晶閘管調(diào)壓電流，異步電動(dòng)機(jī)等模塊構(gòu)成。設(shè)定觸發(fā)角調(diào)整模塊主要是因?yàn)橛|發(fā)角度和交流調(diào)壓器輸出電壓成反向關(guān)系。系統(tǒng)必須設(shè)定轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋，其中電流反饋是交流值，因?yàn)殡娏髡{(diào)節(jié)器是仿照直流電動(dòng)機(jī)，需要計(jì)算單相電流的有效值，再作為反饋量。

仿真結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 400 r/m，起動(dòng)過程為0.5 s。圖4(b)為定子A相電流波形，整個(gè)軟起動(dòng)器電流有效值限幅為60 A，從仿真波形來看，起動(dòng)過程能達(dá)到限流目的。圖4(c)為AB線電壓波形，由于晶閘管在1個(gè)周期里存在切斷和導(dǎo)通，線電壓出現(xiàn)尖峰，存在諧波分量。仿真選用額定功率為2.2 kW的三相交流異步電動(dòng)機(jī)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

在高性能電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，一般用DSP作為主控制器。本系統(tǒng)為晶閘管控制，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求低于IGBT等全控型器件，考慮硬件成本，采用Intel 8xc196kc單片機(jī)［4］為主控處理器。

圖4 雙閉環(huán)控制皮帶機(jī)仿真波形

8 xc196kc單片機(jī)含有高速輸出口 HSO.0、HSO.2、HSO.2，可以作為脈沖發(fā)生器，通過軟件設(shè)定在需要的時(shí)間發(fā)出高或低電平，形成脈沖。

8 xc196kc單片機(jī)中高速輸入器HSI用于記錄某一外部事件發(fā)生的時(shí)間，其事件基準(zhǔn)由內(nèi)部定時(shí)器提供，共可記錄8種事件，有4根引腳可作高速輸入腳。皮帶軟起動(dòng)器系統(tǒng)中其可作為同步脈沖的輸入。

系統(tǒng)反饋所需的電壓電流信號(hào)可以通過采樣電路來實(shí)現(xiàn)。8xc196kc內(nèi)置的8通道高速A/D轉(zhuǎn)換器，可滿足應(yīng)用需求，比其他類型的單片機(jī)使用方便。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

主程序主要有初始化、系統(tǒng)診斷、設(shè)定最大觸發(fā)角、讀取轉(zhuǎn)速給定、PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算、脈沖同步運(yùn)算、脈沖發(fā)生事件運(yùn)算等部分。其中采樣、PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算、脈沖觸發(fā)時(shí)刻計(jì)算在中斷服務(wù)程序中完成。

為了知曉單片機(jī)工作是否正常，在系統(tǒng)投入工作之前需要系統(tǒng)檢測(cè)，主要包括檢測(cè)CPU、內(nèi)存、接口等功能是否正常工作等。

PI調(diào)節(jié)器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)算法較多，常見的有位置式PI算法和增量式PI算法，為了運(yùn)算方便，減少誤差積累，采用增量式PI算法。

觸發(fā)脈沖生成通過高速輸出口 HSO實(shí)現(xiàn)。8xc196kc的高速輸出口可以以設(shè)定好的時(shí)間產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

HSI高速輸入中斷子程序用于檢測(cè)同步信號(hào)，可選用線電壓UAB作為同步信號(hào)，經(jīng)同步變壓器降至左右，再經(jīng)正弦波/方波變換電路變成方波信號(hào)，將此信號(hào)接至微機(jī)的高速輸入單元，令其在下降沿產(chǎn)生中斷。

5 結(jié)論

將直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制思想引入到皮帶機(jī)軟起動(dòng)器系統(tǒng)中，同時(shí)為符合皮帶運(yùn)輸實(shí)際，限定電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為單向調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度給定的最優(yōu)時(shí)間響應(yīng)。借助仿真說明了系統(tǒng)的可行性，最后給出皮帶軟起動(dòng)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

［1］ 李朝東.智能化軟起動(dòng)器在興縣亞軍選煤廠的應(yīng)用［J］.選煤技術(shù)，2010(4):55-58.

［2］ 劉 利，王 棟，等.異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器控制方式的研究［J］.電氣應(yīng)用2010，29(16):36-40.

［3］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］ 孫 佐.基于8XC196單片機(jī)的EPA和PTS實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)控制［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(5):67-69.