輸送機(jī)交流調(diào)速控制系統(tǒng)研究

金愛娟，陶偉涵，魏子卜，孫玉棉，張崢祎，馬貝貝

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

輸送機(jī)交流調(diào)速控制系統(tǒng)研究

金愛娟，陶偉涵，魏子卜，孫玉棉，張崢祎，馬貝貝

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

在火電廠輸煤傳送系統(tǒng)中，需要采用變頻器改變交流電機(jī)頻率，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)調(diào)速。文中針對輸煤傳送系統(tǒng)中傳統(tǒng)的直流電機(jī)維護(hù)困難、成本高、對環(huán)境要求嚴(yán)格的問題，采用交流電機(jī)輸送，節(jié)約維護(hù)成本。系統(tǒng)利用PLC和變頻器協(xié)同控制，將檢測量反饋至PLC，實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的邏輯控制。更進(jìn)一步地在控制系統(tǒng)中，采用空間矢量調(diào)制算法，對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，結(jié)果表明，改進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)更精確、抗干擾能力更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了良好的調(diào)速性能。

輸煤傳送系統(tǒng)；PLC；變頻器

以往的輸煤傳送系統(tǒng)，多采用直流電機(jī)調(diào)速，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速易于實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)簡單。但直流電機(jī)通常采用電刷打火方式，維護(hù)困難、成本高，對環(huán)境要求較高，因此逐漸被成本低廉、易于維護(hù)的交流電機(jī)所取代。在眾多的交流調(diào)速技術(shù)中(如變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速等)，隨著交流變頻調(diào)速在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]，變頻器的生產(chǎn)成本逐漸下降，可靠性不斷增強(qiáng)，性能不斷改善。火電廠輸煤控制系統(tǒng)中有大量的設(shè)備需要由交流電動機(jī)驅(qū)動，因此電動機(jī)變頻調(diào)速改造對于火電廠來說，無論是從節(jié)能增效角度考慮還是對于全社會節(jié)能減排戰(zhàn)略都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。本次設(shè)計中，帶式傳送機(jī)控制系統(tǒng)由PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，將檢測量(如電機(jī)轉(zhuǎn)速)接入PLC，從而實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的邏輯控制[3]。

1 PLC對變頻器的控制方法

PLC與變頻器的傳輸帶協(xié)同控制系統(tǒng)中，PLC和變頻器為系統(tǒng)的控制器，輸送機(jī)的電機(jī)為被控對象，速度傳感器將轉(zhuǎn)速信息反饋給變頻器和PLC，組成雙反饋控制系統(tǒng)。PLC可以通過PID和模糊PID等方式調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)，達(dá)到精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?，F(xiàn)階段的變頻器功能豐富，性能越來越優(yōu)，采用空間矢量調(diào)制算法等方式，完成系統(tǒng)的精確控制，而不需要PLC額外的參與調(diào)制。

(1)交流調(diào)速原理。變頻器的調(diào)速原理其實(shí)就是利用半導(dǎo)體元器件的通斷作用[4]，將工頻電源變換為所需頻率的電源，其原理用公式可表示為

(1)

式(1)中，電動機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)pn及轉(zhuǎn)差率s一定時，通過改變電源頻率f1即可改變電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速[5]n0，從而達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的目的。

圖1 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)

由傳遞函數(shù)可以看出此系統(tǒng)為5階段系統(tǒng)，為了將其簡化成直觀易于分析和設(shè)計的典型系統(tǒng)，需要對速度閉環(huán)系統(tǒng)做一些近似處理，令

(2)

(3)

經(jīng)過近似處理后，原速度閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，圖中J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。

圖2 近似處理后得速度閉環(huán)控制系統(tǒng)

經(jīng)過近似處理之后的速度閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

(4)

開環(huán)傳遞函數(shù)有兩個積分環(huán)節(jié)，為典型的Ⅱ型系統(tǒng)，Ⅱ型系統(tǒng)有良好的抗干擾性能，根據(jù)Ⅱ型系統(tǒng)工程設(shè)計準(zhǔn)則，令h=5,其調(diào)節(jié)時間最短，動態(tài)更隨性能比較適中。由上得到

τw=hTw=10τi1+5τw1

(5)

(6)

由此，得到速度外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的最終整定值為

(7)

2 調(diào)速系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的控制原理搭建變頻調(diào)速控制系統(tǒng)模型，采用外部控制器給定一個預(yù)想的速度值，用速度傳感器對速度反饋進(jìn)行測量[7-8]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

速度傳感器和變頻器組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)，將給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速的偏差值輸入速度調(diào)節(jié)器 ASR進(jìn)行計算調(diào)節(jié)，形成T軸轉(zhuǎn)矩電流。采用恒壓頻比控制方式后，M軸轉(zhuǎn)矩電流往往是固定值，M軸T軸電流經(jīng)過坐標(biāo)變換、電流電壓轉(zhuǎn)換后形成兩相旋轉(zhuǎn)電壓uα、uβ，然后uα、uβ輸入SVPWM模塊輸出驅(qū)動脈沖，完成直流電壓逆變成任意頻率的交流電壓的過程，驅(qū)動電機(jī)[9]。

圖3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的變頻驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖

三相PWM信號合成模塊等。仿真時設(shè)置交流電機(jī)參數(shù)如下：額定功率75 kW；額定轉(zhuǎn)速1 400轉(zhuǎn)/分；額定電壓380 V AC；額定頻率50 Hz；定子繞組電阻0.68 Ω；轉(zhuǎn)子繞組電阻0.45 Ω；定子繞組漏感0.004 6 H；轉(zhuǎn)子繞組漏感0.004 6 H；互感0.148 8 H；轉(zhuǎn)動慣量0.05 kg·m2；摩擦系數(shù)0.008 1；極對數(shù)2；速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)3.8；積分系數(shù)0.8。

交流調(diào)速控制系統(tǒng)的Matlab仿真模型如圖4所示，主要由SVPWM模塊、交流電機(jī)、速度環(huán)等模塊組成。

圖4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的變頻驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型

3 調(diào)速系統(tǒng)仿真

(1)空載啟動實(shí)驗(yàn)。

在啟動仿真實(shí)驗(yàn)過程中對控制系統(tǒng)進(jìn)行空載啟動。給定額定轉(zhuǎn)速1 400 r/min，觀察啟動效果，啟動轉(zhuǎn)矩及速度仿真波形圖如圖 5所示，橫坐標(biāo)表示時間t，橫坐標(biāo)表示時間t，上圖縱坐標(biāo)表示電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，單位r/min，下圖縱坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

圖5 電機(jī)啟動轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形

(2)抗擾動實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)的抗擾動性體現(xiàn)在對負(fù)載突變時轉(zhuǎn)速的變化情況，本次抗擾動性仿真是通過在1 s內(nèi)負(fù)載多次突變的情況下進(jìn)行的，用來模擬系統(tǒng)對負(fù)載突發(fā)變動的實(shí)時性[10]。

圖6 負(fù)載連續(xù)增加轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況

負(fù)載連續(xù)增加：設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=0 s 時，TL=0 N·m；t=0.4 s時，TL=50 N·m；t=0.6 s時，TL=80 N·m；t=0.8 s 時，TL=120 N·m，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如圖6所示。圖6～圖12中，橫坐標(biāo)表示時間t，上圖縱坐標(biāo)表示電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，單位r/min，下圖縱坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

負(fù)載連續(xù)減少：設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=0 s 時，TL=0 N·m；t=0.4 s 時，TL=100 N·m；t=0.6 s 時，TL=60 N·m ；t=0.8 s 時，TL=40 N·m，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如圖7所示，橫坐標(biāo)表示時間t，上圖縱坐標(biāo)表示電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，單位r/min，下圖縱坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

圖7 負(fù)載連續(xù)減少時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況

負(fù)載越變：設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=0 s時，TL=0 N·m；t=0.4 s 時，TL=120 N·m；t=0.6 s時，TL=40 N·m；t=0.8 s時，TL=100 N·m，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩如圖8所示，橫坐標(biāo)表示時間t，上圖縱坐標(biāo)表示電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，單位r/min，下圖縱坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

圖8 負(fù)載越變時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化情況

由以上3圖可知[11-12]，無論是負(fù)載連續(xù)減少、連續(xù)增加還是越變的情況下，轉(zhuǎn)速在輕微的變動過后都維持在設(shè)定值。這表明無論是在靜態(tài)情況下還是在動態(tài)情況下，系統(tǒng)對負(fù)載變化有很好的抗擾動性[13]，即變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所需要的控制精度和要求。這說明采輸煤系統(tǒng)用交流調(diào)速系統(tǒng)是最合適的選擇。

4 結(jié)束語

研究了帶式輸送機(jī)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，介紹了交流變頻調(diào)速原理，建立了閉環(huán)調(diào)速模型并通過軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明改進(jìn)過的調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速效果精確，且具有較強(qiáng)的抗擾動性，適用于輸煤現(xiàn)場惡劣的運(yùn)行環(huán)境[14-15]。

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Current Sharing Technology of Parallel Buck Converter

JIN Aijuan,TAO Weihan,WEI Zibu,SUN Yumian,ZHANG Zhengyi,MA Beibei

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

In the thermal power plant coal transport system, the frequency converter is used to change the frequency of AC motor to adjust AC motor speed. The traditional DC motor has many problems such as difficult maintenance, high cost and high environmental requirements.AC motor transport can save maintenance costs. This paper uses PLC and the frequency conversion control. The detection feedback to PLC is used to realize the logic control of inverter. Even further, this paper uses space vector modulation algorithm in the control system and the speed control system is modeled and simulated. The results show that the improved control system is precise and stronger. It can achieve a better control performance with the anti-interference ability.

coal conveying system; PLC; frequency converter

2016- 03- 27

金愛娟(1972-),女,博士,副教授。研究方向：電力電子非線性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.041

TM 621

A

1007-7820(2017)04-162-04