低壓變頻調(diào)速技術(shù)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用

趙仕艷，謝子殿

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

礦井提升機(jī)是礦山開采和生產(chǎn)過(guò)程中的主要設(shè)備，其安全、高效運(yùn)行關(guān)系著煤礦的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]，目前，中國(guó)煤礦企業(yè)中應(yīng)用的提升系統(tǒng)主要有直流調(diào)速和交流調(diào)速兩大類。直流調(diào)速性能存在電刷和換向器故障多、結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜等問(wèn)題，因而逐漸被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所代替。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，電機(jī)由于本身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，調(diào)速控制系統(tǒng)難以達(dá)到預(yù)期效果，而直接轉(zhuǎn)矩控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性高、且其復(fù)雜性低于其它控制方式，如省掉了矢量控制中復(fù)雜的變換與計(jì)算，并且能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，滿足礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的運(yùn)行要求。

由于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制具有電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，需更先進(jìn)的控制算法來(lái)實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。文章應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法能有效抑制磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩帶來(lái)的這些缺點(diǎn)，提高調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

根據(jù)安裝提升容器的不同，立井提升分為罐籠提升和箕斗提升，箕斗提升礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)(圖1)中，電機(jī)側(cè)逆變器采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩控制方式達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速目的，網(wǎng)側(cè)變流器為直流側(cè)提供穩(wěn)定電壓，在此僅對(duì)電機(jī)側(cè)逆變器的控制策略進(jìn)行研究。

圖1 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行階段的給定速度如圖2所示，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程主要包括加速、勻速、減速、爬行四個(gè)階段[3-4]，即t1至t4運(yùn)行階段 ，t5為停車抱閘運(yùn)行階段，其中高速穩(wěn)速運(yùn)行是主要的運(yùn)行階段。

圖2 電機(jī)期望速度圖

2 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的估算及轉(zhuǎn)子磁鏈位置判斷的準(zhǔn)確性決定了直接轉(zhuǎn)矩控制方案的可行性，電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈的方程式可表示為

式中：Ψsα、Ψsβ為定子磁鏈α、β軸分量；Ψrα、Ψrβ為轉(zhuǎn)子磁鏈α、β軸分量；usα、usβ為定子電壓α、β軸分量；urα、urβ為轉(zhuǎn)子電壓α、β軸分量；isα、isβ為定子電流α、β軸分量；irα、irβ為轉(zhuǎn)子電流α、β軸分量；Rs為定子電阻;Rr為轉(zhuǎn)子電阻。

雙饋感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

Te=np(Ψsαisβ-Ψsβisα)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)。

磁鏈所處的扇區(qū)可通過(guò)計(jì)算磁鏈角得出，磁鏈角方程可表示為

式中：θr為轉(zhuǎn)子磁鏈角。

轉(zhuǎn)子磁鏈可表示為

式中：Ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈。

3 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理

3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制思想

繞線式異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的本質(zhì)是隨時(shí)生成合適的轉(zhuǎn)子電壓矢量用以改變轉(zhuǎn)子磁鏈的軌跡，從而控制電磁轉(zhuǎn)矩[5-7]。在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可直接表示為

(1)

式中：Ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶浚沪葹棣穝與Ψr夾角；Ls為定子繞組自感；Lr為轉(zhuǎn)子繞組自感；Lm為定轉(zhuǎn)子繞組互感。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，定子側(cè)接電網(wǎng)電壓，定子磁鏈空間矢量Ψs是相對(duì)穩(wěn)定的。由于提升機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量Ψr也是相對(duì)穩(wěn)定的。因此，根據(jù)式(1)，只有改變?chǔ)穜與Ψs之間的夾角θ才能改變轉(zhuǎn)矩的大小。

3.2 控制原理

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩采用查表法進(jìn)行控制，逆變器產(chǎn)生8種電壓矢量，由電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈角3個(gè)因素共同決定，從中選取合適的電壓矢量，扇區(qū)及有效電壓矢量分配見表1，每個(gè)電壓矢量中3個(gè)邏輯數(shù)表示逆變器每個(gè)橋臂管子的開關(guān)情況，若為1表示上管開通下管關(guān)斷，0則表示相反情況。

表1 扇區(qū)和電壓矢量

在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)中，由電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈與給定值偏差及轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置共同決定選取最為合適的電壓矢量，生成開關(guān)向量表如表2所示，其中eΨr、eTe分別表示磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差。

表2 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩開關(guān)向量表

3.3 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)將轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，磁鏈滯環(huán)維持磁鏈的幅值恒定。開關(guān)表模塊接收轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增減信號(hào)以及磁鏈的角度信息，采用查表法選取轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，轉(zhuǎn)矩給定值是轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器處理所得。

圖3 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理

傳統(tǒng)的PID由于比例、積分和微分3個(gè)系數(shù)的固定不變，不能實(shí)時(shí)根據(jù)調(diào)節(jié)變量的不同狀態(tài)及時(shí)地調(diào)整參數(shù)的數(shù)值，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制效果不理想且出現(xiàn)很多問(wèn)題，如在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中會(huì)造成很大的超調(diào)量且響應(yīng)時(shí)間慢等。而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)即時(shí)調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，PID采用經(jīng)典的增量式[8]。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID控制的表達(dá)式為

Vu(n)=KPVe(n)+KIe(n)+

KD(Ve(n)-Ve(n-1))

式中：KP、KI、KD為比例、積分、微分系數(shù)；e(n)為控制系統(tǒng)誤差。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，該系統(tǒng)采用輸入層、隱含層和輸出層三層結(jié)構(gòu)，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)輸入層和輸出層的權(quán)值得到PID參數(shù)的最佳組合，其中fi(e)和gj(e)分別為隱含層和輸出層函數(shù)。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入和輸出為

vi=fi(ui)

式中：xm為輸入層第m個(gè)神經(jīng)元的輸入；ui為隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入；ωmi為輸入層加權(quán)系數(shù)；vi為隱含層第i個(gè)神經(jīng)元的輸出；fi(ui)為隱含層函數(shù)。

輸出層第j個(gè)神經(jīng)元的輸入和輸出為

yj=gj(uj)

式中：uj為輸出層第j個(gè)神經(jīng)元的輸入；ωij為隱含層加權(quán)系數(shù)；yj為輸出層第j個(gè)神經(jīng)元的輸出；gj(uj)為輸出層函數(shù)。

權(quán)值的調(diào)整采用梯度學(xué)習(xí)方法，為了防止陷入局部最優(yōu)解，通過(guò)增加動(dòng)量項(xiàng)的方法提高學(xué)習(xí)效率，則增加動(dòng)量項(xiàng)的權(quán)值學(xué)習(xí)式為

Vωij(n)=ηδj(n)vi(n)+αVωij(n-1)

Vωmi(n)=ηδj(n)vm(n)+αVωmi(n-1)

式中：η為學(xué)習(xí)效率；δj(n)為輸出層神經(jīng)元的局部梯度；α為動(dòng)量因子；vm(n)為輸入層第m個(gè)神經(jīng)元的輸出。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)速系統(tǒng)

由于脈動(dòng)將會(huì)給電機(jī)帶來(lái)機(jī)械故障，如機(jī)械抖動(dòng)、電機(jī)老化和過(guò)熱等一系列問(wèn)題，不僅給整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)很大的危害，造成能源的浪費(fèi)，而且降低了電機(jī)壽命。為了改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，將傳統(tǒng)PID由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID所代替，該方法能有效地解決這些問(wèn)題，控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)圖

5 系統(tǒng)仿真結(jié)果

搭建礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，網(wǎng)側(cè)直流電源Udc=600 V，磁鏈給定值為1，電動(dòng)機(jī)類型選用繞線式電機(jī)，電機(jī)主要參數(shù):額定功率Pn=600 kW,定子相電壓Us=380 V，定子電阻Rs=0.02 Ω，定子漏感Ls=0.5 mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.02 Ω，定子漏感Lr=0.5 mH，互感Lm=0.5 mH，極對(duì)數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)速nN=1 490 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=20 kg·m2。

5.1 亞同步運(yùn)行區(qū)間

分別對(duì)兩種控制器下電機(jī)在亞同步區(qū)間進(jìn)行仿真分析，仿真條件：0 s時(shí)初始給定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，8 s時(shí)躍變到200 r/min，可得到轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡、電機(jī)轉(zhuǎn)速波形和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖9 亞同步區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖7 亞同步區(qū)間轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

圖8 亞同步區(qū)間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

電機(jī)在亞同步運(yùn)行期間，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器下轉(zhuǎn)子磁鏈波形分別如圖7(a)和圖7 (b)所示，相較于傳統(tǒng)PID轉(zhuǎn)子磁鏈脈動(dòng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器磁鏈脈動(dòng)明顯降低，傳統(tǒng)PID控制條件下磁鏈脈動(dòng)為0.1，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制條件下為0.02，磁鏈脈動(dòng)降低了80%。

電機(jī)在亞同步運(yùn)行期間，傳統(tǒng)PID控制器下電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖8(b)所示，轉(zhuǎn)速在加、減速交界處速度有波動(dòng)，且在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)有負(fù)速度，到達(dá)給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為3.8 s；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器下轉(zhuǎn)速如圖8(a)所示，較傳統(tǒng)PID電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)及脈動(dòng)，到達(dá)給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為3.81 s，保持了傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)速度快和魯棒性良好的優(yōu)點(diǎn)。

電機(jī)在亞同步運(yùn)行期間，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器下轉(zhuǎn)矩波形分別如圖9(a)和圖9 (b)圖所示，較傳統(tǒng)PID電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯降低，傳統(tǒng)PID控制條件下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為450 N·m，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制條件下為230 N·m，磁鏈脈動(dòng)降低了48.9%。傳統(tǒng)PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速在加、減速交界處速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)更大，且電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩。

5.2 超同步運(yùn)行區(qū)間

對(duì)電機(jī)在超同步區(qū)間進(jìn)行仿真分析，仿真條件：0 s時(shí)初始給定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，在10 s時(shí)刻躍變到200 r/min，可得到轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡、電機(jī)轉(zhuǎn)速波形和電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線分別如圖10、圖11、圖12所示，電機(jī)按給定的速度進(jìn)行勻加速、勻速和勻減速運(yùn)行，速度穩(wěn)定幾乎無(wú)脈動(dòng)，能滿足運(yùn)行速度要求。

圖10 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID超同步區(qū)間轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

圖11 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID超同步區(qū)間轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖12 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID超同步區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)在超同步運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)，且電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)速度，響應(yīng)速度快。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合礦井提升機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，建立了繞線式異步電機(jī)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制和傳統(tǒng)PID控制的直接轉(zhuǎn)矩模型。該模型既考慮了礦井提升機(jī)亞同步區(qū)間，又考慮了超同步區(qū)間運(yùn)行工作狀態(tài)。通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證，繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的可行性。仿真結(jié)果表明：

1)礦井提升機(jī)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器下，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈脈動(dòng)減少了80%，且電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少了48.9%；

2) 礦井提升機(jī)在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器下，電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)且無(wú)脈動(dòng)，電機(jī)在電動(dòng)時(shí)無(wú)負(fù)轉(zhuǎn)矩，且保持了傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)；

3) 能滿足礦井提升機(jī)在亞同步區(qū)間和超同步區(qū)間的運(yùn)行要求，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。