調(diào)速控制系統(tǒng)在提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 峰

（山西高河能源有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047100）

引言

提升機(jī)作為煤炭生產(chǎn)中發(fā)揮運(yùn)輸煤炭、作業(yè)人員以及設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性、安全性和低功耗性為其衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，大多數(shù)礦井提升機(jī)所采用的調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，該方案在實(shí)際應(yīng)用中耗能大且占地面積大[1]。因此，需對(duì)提升機(jī)的傳統(tǒng)調(diào)速方式進(jìn)行改造，在降低其能耗的基礎(chǔ)上提高其控制精度，進(jìn)而確保整個(gè)提升系統(tǒng)的可靠性。

1 變頻調(diào)速理念的發(fā)展及原理分析

1.1 變頻調(diào)速理念的發(fā)展

煤礦提升系統(tǒng)所選用的傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)以直流調(diào)速策略為主。直流調(diào)速以其容易控制且調(diào)速精度高等優(yōu)勢(shì)一直被廣泛應(yīng)用于提升系統(tǒng)的速度控制中。但是，由于直流調(diào)速策略先天的劣勢(shì)包括有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差以及難以高速化等問(wèn)題，一直制約著直流調(diào)速方式的發(fā)展。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和DSP 微處理器的發(fā)展，推動(dòng)了交流變頻調(diào)速[2]。

交流變頻調(diào)速方式的控制系統(tǒng)主要經(jīng)歷了電壓/頻率恒定控制、矢量變換控制和直接轉(zhuǎn)矩控制三個(gè)階段。交流變頻調(diào)速方式具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)型號(hào)好以及節(jié)能效果顯著等優(yōu)勢(shì)。

1.2 變頻調(diào)速原理分析

在實(shí)際應(yīng)用中，基于交流變頻調(diào)速理論所控制的對(duì)象有轉(zhuǎn)矩、速度以及位置等。而且，在實(shí)際控制中根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境不同可以組成不同的閉環(huán)系統(tǒng)。變頻調(diào)速的基本原理如下：

式中：n0為提升系統(tǒng)三相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f1為提升系統(tǒng)三相電動(dòng)機(jī)定子繞組的電源頻率；p為提升系統(tǒng)三相電動(dòng)機(jī)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

如式（1）所示，通過(guò)控制定子繞組的電源頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而改變與電機(jī)減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)速度的控制。

綜合對(duì)比變頻調(diào)速系統(tǒng)四種控制方式的優(yōu)劣性。其中，V/F 控制方式主要應(yīng)用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的系統(tǒng)；轉(zhuǎn)差頻率控制主要應(yīng)用于對(duì)響應(yīng)速度要求不高的系統(tǒng)；直接轉(zhuǎn)速控制方式其對(duì)系統(tǒng)在低速區(qū)的控制效果不佳；矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制，具備參數(shù)補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng)的優(yōu)勢(shì)[3]。因此，將矢量控制方式應(yīng)用于提升機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中。變頻器作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，本文將著重介紹變頻器的選型。

2 變頻器的選擇

變頻器選型時(shí)的一個(gè)重要依據(jù)為其所應(yīng)用負(fù)載的類型和特點(diǎn)。針對(duì)提升系統(tǒng)而言，其所承受的負(fù)載為重力，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的類型。對(duì)于該類負(fù)載類型而言，要求變頻具有較強(qiáng)的低頻轉(zhuǎn)矩提升能力和短時(shí)過(guò)流能力。通用變頻器的選型主要參照式（2）：

式中：P為三相異步電動(dòng)機(jī)的功率；T為三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；n為三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在對(duì)變頻器進(jìn)行選型時(shí)，應(yīng)將其容量按照其所應(yīng)用系統(tǒng)電機(jī)容量的1.1～1.5 倍進(jìn)行操作。

2.1 變頻器型號(hào)的選擇

目前，可供選擇變頻器的廠家且性價(jià)比較高的品牌有：日本安川、三菱、富士以及西門子和丹佛斯等。綜合對(duì)比各品牌變頻器的性能，并以其性價(jià)比為主要參考指標(biāo)，最終為提升系統(tǒng)選用變頻器的品牌為西門子。其6SE70 系列變頻器可采用多種控制方式，其中以矢量控制的性能最好。因此，最終選擇為提升系統(tǒng)選擇西門子6SE70 系列的變頻器。

2.2 變頻器容量的選擇

由于提升機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在滿載啟動(dòng)的工況，還存在空載下放的工況。因此，一般情況下將提升機(jī)的平均提升力矩設(shè)定為其額定力矩值的1.3～1.6 倍。而對(duì)于電動(dòng)機(jī)可為提升系統(tǒng)提供的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)為其額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.8～2 倍[4]。因此，變頻器的容量計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：PCN為變頻器的容量；K為安全系數(shù)，取K=2；ηM為三相異步電動(dòng)機(jī)的效率；取ηM=0.85；cosφ 為三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，取cosφ=0.25,；P為提升系統(tǒng)的額定功率。

高河煤礦所采用提升機(jī)的額定功率為800 kW，則對(duì)應(yīng)的變頻器的最小容量為5 019 kW。因此，所選用變頻器的具體型號(hào)為6SE70-5200。

3 矢量模糊控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用的控制器類型為PID 控制器，該控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好以及可靠性高等優(yōu)勢(shì)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)PID 控制器無(wú)法解決提升系統(tǒng)在載荷變化大及載荷變化的非線性等問(wèn)題。因此，還需對(duì)其控制策略進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

近年來(lái)，模糊控制理論被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，且模糊控制理論具有控制精度高、響應(yīng)及時(shí)以及魯棒性好等優(yōu)勢(shì)。因此，將模糊控制理論與PID 控制器結(jié)合起來(lái)，即為模糊PID 控制器，且所采用模糊PID控制器中增添了對(duì)應(yīng)的自調(diào)整因子，以確保提升系統(tǒng)能夠根據(jù)其實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)調(diào)整控制器的參數(shù)，以保證系統(tǒng)在最佳狀態(tài)運(yùn)行[5]。

基于模糊控制理論以及自調(diào)整理論得到了矢量模糊控制器的比例因子為1/25；積分因子為1/10；微分因子為1。

為驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)矢量模糊控制器的控制系統(tǒng)，基于MATLAB 軟件對(duì)傳統(tǒng)PID 控制器、PI 控制器和矢量模糊控制器的控制性能進(jìn)行仿真分析，并得到如下仿真結(jié)果：

1）傳統(tǒng)PID 控制器和矢量模糊控制器的響應(yīng)特性均優(yōu)于PI 控制器，具體表現(xiàn)為在PID 控制器和矢量模糊控制器下的空載穩(wěn)定所需時(shí)間較PI 控制器少2 s；且，矢量模糊控制器相對(duì)于傳統(tǒng)PID 控制器具有更快速、穩(wěn)定的控制效果。

2）基于矢量模糊控制器可確保提升系統(tǒng)從空載到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的加速過(guò)程中無(wú)任何的超調(diào)量，且穩(wěn)定時(shí)間僅為0.8 s。

3）當(dāng)提升系統(tǒng)在運(yùn)行存在擾動(dòng)時(shí)，基于矢量模糊控制器下的提升系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯的減速現(xiàn)象；而基于傳統(tǒng)PID 和PI 控制器下的提升系統(tǒng)出現(xiàn)了較為明顯的減速現(xiàn)象。

4 應(yīng)用效果

為進(jìn)一步提升提升系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性、穩(wěn)定性和節(jié)能效果，將基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于高河煤礦提升系統(tǒng)中，并根據(jù)提升系統(tǒng)的參數(shù)為調(diào)速系統(tǒng)選用了西門子公司的6SE70-5200 變頻器和基于模糊控制的矢量控制器。經(jīng)仿真分析，基于矢量控制下的提升系統(tǒng)具有優(yōu)良的響應(yīng)特性、抗干擾特性等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中推廣。