基于耦合補償?shù)氖噶孔冾l驅(qū)動帶式輸送機的功率平衡控制策略

陳 梅 毛映霞 陳 薇 李 鑫

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

符號說明

I——電機電流；

IN——電機額定電流；

Ist——電機啟動電流；

n0——電機同步轉(zhuǎn)速；

nd——電機轉(zhuǎn)速；

nm——電機臨界轉(zhuǎn)速；

nN——電機額定轉(zhuǎn)速；

p——電機的極對數(shù)；

s——電機的轉(zhuǎn)差率；

sm——電機的臨界轉(zhuǎn)差率；

sN——電機額定轉(zhuǎn)差率；

T——電機轉(zhuǎn)矩；

Tmax——電機的最大轉(zhuǎn)矩；

TN——電機額定轉(zhuǎn)矩；

Tst——電機啟動轉(zhuǎn)矩；

Uφ——電機的相電壓；

ωd——機械角速度。

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭、石油及化工等行業(yè)對生產(chǎn)運輸?shù)男枨蟛粩嗵岣?，大量長距離、大運量、大功率的帶式輸送機被投入使用。由于單臺電機所能提供的驅(qū)動力有限，大型帶式輸送機通常采用多臺電機驅(qū)動的方式。在多臺電機的同步驅(qū)動過程中，關(guān)鍵問題是電機之間的功率平衡控制。功率平衡的最終目標是實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡與動態(tài)平衡[1]。穩(wěn)態(tài)平衡是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時電機的輸出功率按理想的牽引力比例分配，電機之間負載率保持一致。不出現(xiàn)單臺電機長時間過載或者欠載的現(xiàn)象。動態(tài)平衡是指系統(tǒng)在啟動、停止或加減速的過程中每臺電機同時平衡出力，尤其是當帶式輸送機滿載時，每臺電機逐漸加速至最大驅(qū)動力，實現(xiàn)滿載啟動。

影響電機功率平衡的主要因素有電機的參數(shù)、輸送帶的剛度、傳動裝置的傳動比和效率、驅(qū)動滾筒之間的阻力、運行總阻力及滾筒半徑等[2]。這些因素在設(shè)備選型之后也就確定了下來，但在帶式輸送機運行的過程中，電機的工作特性會發(fā)生變化，滾筒表面的粘著物、運行過程中的磨損都會導(dǎo)致滾筒直徑的變化。這些動態(tài)因素難以預(yù)計，所以需要依靠控制手段來進行調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。*收稿日期：2015-01-25(修改稿)

由于變頻器具有調(diào)速范圍寬、精度高、調(diào)速平滑、穩(wěn)定可靠及節(jié)能效果顯著等特點，變頻驅(qū)動逐漸取代傳統(tǒng)的液力耦合、液阻及電磁閥等設(shè)備，成為帶式輸送機驅(qū)動的主要選擇。筆者針對雙電機變頻驅(qū)動的矢量控制系統(tǒng)，提出了一種基于耦合補償?shù)碾姍C功率平衡控制策略。

1 功率平衡控制的原理

1.1 三相異步電動機的固有特性

圖1 三相異步電動機的固有機械特性

三相異步電動機輸出功率P2、機械角速度ωd和輸出轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系如下：

P2=Tωd

(1)

當電機為電動狀態(tài)時：

(2)

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)可得：

(4)

其中nc=n0-nm。

三相交流異步電動機轉(zhuǎn)速nd、滾筒轉(zhuǎn)速ng、滾筒半徑R、帶速v以及電機與驅(qū)動滾筒之間的傳動比ic具有如下關(guān)系[4]：

(5)

而輸送帶的帶速v與時間間隔t內(nèi)通過某點的輸送帶長度l、輸送帶處于自然態(tài)時的帶速v0、輸送帶與驅(qū)動滾筒相遇點的張力S以及輸送帶(膠帶)的拉伸剛度E0有以下關(guān)系：

(6)

(7)

由此可以看出，電機的功率P與參數(shù)Tmax、ic、v0、R、n0、nc有關(guān)，其中ic、R在設(shè)備選型之后是固定不變的，Tmax、nc對于同一型號的電機來說近似不變，可以看成定值，而v0在正常運行期間也是固定常數(shù)，所以電機的功率主要取決于變量n0的大小。

式(7)對n0求導(dǎo)得：

ncπR=πR(n0-nm)

忽略膠帶的拉伸形變時，v=v0，由式(5)可得n0πR-30icv0=πR(n0-nd)。由三相異步電動機的固有機械特性可知，nd≥nm，求導(dǎo)符號為正，電機的功率與n0成正比。

1.2 三相異步電動機的變頻調(diào)速特性

帶式輸送機為恒轉(zhuǎn)矩負載，在變頻器采用恒轉(zhuǎn)矩方式進行調(diào)速時，Uφ/f為定值，即對于同一轉(zhuǎn)矩，在變頻調(diào)速時，轉(zhuǎn)速降Δn近似不變。圖2為異步電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時的機械特性，其中f1>f2>f3，在輸出轉(zhuǎn)矩Tl不變的前提下，電機的同步轉(zhuǎn)速n0和輸出轉(zhuǎn)速n隨著頻率的降低而不斷減小。

圖2 異步電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時的機械特性

三相交流異步電動機同步轉(zhuǎn)速n0與頻率f具有以下關(guān)系[5]：

(8)

將式(8)代入式(7)并對f求導(dǎo)，判斷正負方法同前所述，結(jié)果為正。

2 功率平衡控制策略

基于耦合補償?shù)墓β势胶獠呗圆杉嗣颗_電機運行參數(shù)的變化量，在分析其差異性的基礎(chǔ)上對每臺電機都進行給定參數(shù)的補償。這種策略不僅考慮了單驅(qū)動系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的跟蹤誤差，還考慮了各電機之間的同步誤差。當受控的任何一臺電機運行狀態(tài)發(fā)生變化時，都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生反饋作用。以兩臺電機驅(qū)動為例，當兩者的控制量之差超過預(yù)設(shè)閾值時，控制器同時對其進行補償，極大地提高了系統(tǒng)的控制精度，削減了穩(wěn)態(tài)誤差，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙電機驅(qū)動功率平衡控制策略的結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)功率平衡的前提是驅(qū)動電機工作在同一狀態(tài)下。若帶式輸送機為平運帶或者上運帶，電機應(yīng)該同為電動狀態(tài)。如果兩臺電機的電流極性不一致，應(yīng)將控制發(fā)電狀態(tài)電機的變頻器頻率增大，將其帶入電動狀態(tài)。若帶式輸送機為下運帶，電機應(yīng)該同為電動或者發(fā)電狀態(tài)。當兩臺電機的電流極性不一致時，比較兩臺電機的電流絕對值。當電動狀態(tài)的電機電流絕對值較大時，說明帶式輸送機相對于電機是負載，需要正牽引力，因此將控制發(fā)電狀態(tài)電機的變頻器頻率增大，將其帶入電動狀態(tài)。當工作在發(fā)電狀態(tài)下的電機電流絕對值較大時，說明輸送機帶動電機轉(zhuǎn)動，需要制動力，因此將電動狀態(tài)下的電機頻率減小，將其帶入發(fā)電狀態(tài)，再進行功率平衡控制[6]。

當兩臺電機進入相同的工作狀態(tài)時，檢測兩臺電機當前的工作電流、轉(zhuǎn)速和變頻器的給定轉(zhuǎn)速。補償器利用電流差值計算出速度補償，對兩個變頻器的給定轉(zhuǎn)速進行修正，以此作為兩臺變頻器新的給定轉(zhuǎn)速，控制兩臺電機協(xié)調(diào)運行。為了防止帶式輸送機打滑，系統(tǒng)依據(jù)頻率調(diào)整系數(shù)進行限幅。當調(diào)節(jié)增量超出范圍時，將不對變頻器進行給定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[7]。

3 雙機功率平衡控制系統(tǒng)仿真

矢量控制的原理是通過對三相異步電動機的控制量進行坐標變換，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的解耦控制，從而模擬直流調(diào)速的方法對異步電機進行調(diào)速。功率平衡控制的仿真實驗是基于帶有電流、轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)。根據(jù)耦合補償?shù)碾p電機矢量控制功率平衡策略，利用Matlab/Simulink工具箱搭建控制系統(tǒng)模型進行仿真。仿真模型主要包括三相異步電機的矢量控制系統(tǒng)、差值比較模塊、補償計算模塊和動態(tài)負載模塊。

在實際工程中，為實現(xiàn)同步驅(qū)動，兩個子驅(qū)動系統(tǒng)通常選擇同樣型號的設(shè)備以保證參數(shù)統(tǒng)一。理論上，驅(qū)動滾筒之間的牽引力理想分配比為1。但是由于制造及安裝等方面存在誤差，電機的拖動特性很難完全一致。為模擬實際情況，仿真實驗中采用的電機在參數(shù)上取值不同，以驗證控制策略的有效性。

兩臺電機的給定轉(zhuǎn)速均為1 400r/min，t=0s時電機空載啟動，t=0.3s時啟動完成，轉(zhuǎn)矩降為零。t=0.5s時，給兩臺電機分別加以50N·m和70N·m的負載，此時功率出現(xiàn)不平衡，電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)差值。t=0.9s時功率平衡控制模塊投入使用，兩臺電機逐漸同步，輸出轉(zhuǎn)矩和電流基本保持一致，輸出功率達到平衡，過程曲線如圖4、5所示。

圖4 矢量變頻雙驅(qū)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖5 矢量變頻雙驅(qū)電流曲線

4 功率平衡控制的實現(xiàn)

帶式輸送機由頭部兩臺變頻電機拖動，電機采用同一型號，變頻器均為ABB公司的ACS510-01-09A4-4，均選擇速度閉環(huán)矢量控制模式[8]。頭部柜的S7-300PLC為主站，兩臺變頻器為從站,通過CP342-5模塊建立連接。變頻器進行參數(shù)設(shè)置后將電流、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過Profibus-DP通信方式上傳至S7-300，PLC自動調(diào)用其內(nèi)部的功率平衡模塊，將參數(shù)處理后分別下發(fā)至兩臺變頻器，從而有效進行調(diào)速，實現(xiàn)功率平衡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙機變頻驅(qū)動功率平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場測試后，帶式輸送機的兩臺驅(qū)動變頻器反饋回來的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)誤差為0.19%，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差為0.10%，電流穩(wěn)態(tài)誤差為0.38%，均能夠保持在5%的誤差范圍以內(nèi)，同步精度較高，且實時性和抗干擾性較強。啟動、停止或者加減速時兩臺電機都可以平穩(wěn)同步運行，能夠滿足帶式輸送機的功率平衡要求。

5 結(jié)束語

針對矢量變頻多驅(qū)動帶式輸送機的功率平衡問題，提出了一種基于耦合補償?shù)目刂撇呗?。在變頻調(diào)速理論分析的基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件建立了雙驅(qū)動矢量變頻控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：無論是靜態(tài)還是動態(tài)，兩臺電機都能夠?qū)崿F(xiàn)功率平衡。同時，基于真實環(huán)境對控制策略進行測試，證明基于耦合補償?shù)目刂品椒軌蛴行岣邇膳_電機的同步精度，滿足帶式輸送機系統(tǒng)對功率平衡的要求。

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