基于矢量控制的帶式輸送機(jī)能耗控制方法研究

陳鵬麒

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)是大型港口散裝物料最主要的運(yùn)輸設(shè)備，尤其是煤炭、礦石碼頭，另外其在煤礦企業(yè)、電力系統(tǒng)、化工工廠也都有廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)運(yùn)行功率大，一直是影響港口能耗的最大因素。而其主要驅(qū)動單元電機(jī)又是其能耗最大部件。感應(yīng)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，維護(hù)低成本等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于該驅(qū)動設(shè)備中。但是由于該輸送系統(tǒng)傳輸時間不固定，常常處于空載或輕載狀態(tài)，傳輸效率低下，往往無法達(dá)到最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致能量損耗嚴(yán)重。

美國能源相關(guān)部門曾經(jīng)有過統(tǒng)計(jì)，全美用電量的四分之一，工業(yè)用電量的百分之六十都是由電動機(jī)負(fù)載消耗的[1]。因此積極推進(jìn)電動機(jī)節(jié)能技術(shù)，將對節(jié)能減排，提早實(shí)現(xiàn)碳中和有著重要的作用。

1 港口帶式輸送系統(tǒng)的一般節(jié)能措施

一般而言，電動機(jī)節(jié)能技術(shù)主要包括兩個方向，一個是提高電機(jī)本體制造工藝，提高其額定工況下的效率；而另一個就是在控制系統(tǒng)層面，找到系統(tǒng)的最佳運(yùn)行點(diǎn)。

1.1 輸送系統(tǒng)提速改造

對于現(xiàn)有的老式散貨港口碼頭，可以考慮在保持原驅(qū)動電機(jī)功率不變的前提下，更換減速箱，提高皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高物料的裝卸效率。由于不改變原驅(qū)動電機(jī)，其運(yùn)行能耗基本保持不變。

1.2 按工況投切電機(jī)運(yùn)行數(shù)量

港口散貨的輸送距離一般都比較遠(yuǎn)，單條皮帶機(jī)的長度大于1 km 也是司空見慣的，這就要求該輸送系統(tǒng)的驅(qū)動部分是多由多臺以上電機(jī)來構(gòu)成的。在啟動時或滿負(fù)荷工況下，多臺是處于同時運(yùn)行狀態(tài)下的；當(dāng)輸送系統(tǒng)處于輕載及空載的運(yùn)行狀態(tài)時，通過減少運(yùn)行電機(jī)的數(shù)量，達(dá)到降低電耗的目的。這一技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于曹妃甸港、黃驊港、日照港等港口[2]。

1.3 降壓運(yùn)行

電機(jī)在額定電壓，額定負(fù)載下運(yùn)行時，其效率是較高的。但當(dāng)負(fù)載下降，電機(jī)運(yùn)行功率減少，無功損耗也會增多，效率因此下降。在電機(jī)電源輸入端前接入晶閘管作為電壓控制器，通過改變電動機(jī)的輸入電壓，調(diào)節(jié)電壓電流的相位角，在不同負(fù)載下都保持較高的功率因數(shù)[3]。

1.4 采用高效節(jié)能電機(jī)

采用新型電機(jī)設(shè)計(jì)、新型繞組材料，通過降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提高輸出效率。與普通電機(jī)相比，該高效電機(jī)的運(yùn)行效率可平均提高4 %。更甚有超高效電機(jī)，其比普通高效電機(jī)效率平均再提高2 %[4]。我國也在2012 年頒布實(shí)施的《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》中的規(guī)定，一般情況下選擇電動機(jī)能效不宜低于2 級。

另外，在電機(jī)啟動時，通過增加設(shè)置軟啟動器，Y-△變化啟動，甚至增加變頻器，從而使其在啟動過程中平穩(wěn)增速，達(dá)到降低電耗。

2 考慮鐵損的感應(yīng)電機(jī)模型

為了能夠使電機(jī)更加精確的運(yùn)行于損耗最小點(diǎn)，必須建立一種更加精確的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，分析了其能耗的構(gòu)成。傳統(tǒng)的矢量控制通常是基于忽略鐵耗對磁場定向影響的，但等效的鐵耗電阻存在，是真實(shí)干擾轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子磁通的，影響輸出轉(zhuǎn)矩，從而無法正確的使得電機(jī)運(yùn)行于效率最高點(diǎn)。

電機(jī)控制中通常有兩種坐標(biāo)系，靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。其中靜止坐標(biāo)系主要有三相定子坐標(biāo)系(A-B-C 坐標(biāo))，兩相定子坐標(biāo)系(α-β 坐標(biāo)系)；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系主要是以轉(zhuǎn)子為參考建立(d-q 坐標(biāo)系)。本文以轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q 坐標(biāo)系)建立感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。轉(zhuǎn)子坐標(biāo)d 軸位于轉(zhuǎn)子磁鏈軸線上，q 軸逆時針超前d 軸90°空間電角度。其坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子一起同步轉(zhuǎn)動。

根據(jù)圖1，電壓矩陣方程如下[5-6]

圖1 感應(yīng)電機(jī)動態(tài)等效電路

磁鏈方程如下：

轉(zhuǎn)矩方程如下

其中：Rs,Rr,Rm表示定轉(zhuǎn)子電阻及定子鐵耗等效電阻；Ls,Lr,Lm表示定轉(zhuǎn)子自感及互感；ls,lr表示定轉(zhuǎn)子的漏感；

isd,isq,ird,irq表示定轉(zhuǎn)子d，q軸的電流分量；ifd,ifq,imd,imq表示鐵耗電阻電流與勵磁電流在d，q軸的分量；ψsd,ψsq,ψrd,ψrq表示定轉(zhuǎn)子在d,q軸的磁鏈；usd,usq表示定子d，q軸上的電壓；ω,ωrsω,1分別表示同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子角速度與轉(zhuǎn)差頻率；eT為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)的極對數(shù)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。

3 考慮鐵損的感應(yīng)電機(jī)矢量控制

矢量控制策略能夠解決了電機(jī)靜態(tài)調(diào)速和動態(tài)轉(zhuǎn)矩性能的相關(guān)問題，其是以圖1 建立的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過檢測轉(zhuǎn)速與電流形成雙閉環(huán)，來實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速的正常運(yùn)行。

在以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制理論中，轉(zhuǎn)子的磁鏈軸線就是d 軸的方向，應(yīng)該滿足ψsq=ψrq=0，ψsd=ψr。

圖2 感應(yīng)電機(jī)矢量控制框圖

基于鐵耗模型的磁通與轉(zhuǎn)矩是不解耦的，ψr*與Te*是相交聯(lián)。磁通隨著轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的發(fā)生變化，這是與傳統(tǒng)矢量控制策略最大區(qū)別所在，也能更好的控制感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行于效率最高點(diǎn)[7]。

4 感應(yīng)電機(jī)矢量控制下最大效率研究

固特異公司將帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的能耗分成了三個部分：①空載運(yùn)行情況下的能耗。②物料水平運(yùn)輸一段距離后的能耗。③提升物料的帶來的能耗。這三種能耗在不同工況下的構(gòu)成比例不同，其中輸送機(jī)上的負(fù)載質(zhì)量影響最大。輸送機(jī)負(fù)載率的下降將導(dǎo)致運(yùn)輸能耗夸張的增長。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)輸送機(jī)裝載率為0.5，運(yùn)輸能耗將增加 40.7 %；如果輸送系統(tǒng)裝載率為0.3，運(yùn)輸能耗將增加 95 %；輸送系統(tǒng)載率為0.1，運(yùn)輸能耗將增加 367 %。[8]

由于輸送機(jī)的負(fù)載率由港口實(shí)際運(yùn)營情況決定，因此降低輸送機(jī)能耗，提高運(yùn)行效率，勢必應(yīng)該在控制方式上進(jìn)行優(yōu)化。普通矢量變頻調(diào)速控制雖然在一定程度上提高了感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行效率，但其并不是運(yùn)行于最優(yōu)效率點(diǎn)，尤其是輕載工況下，可控?fù)p耗依然較大。

根據(jù)考慮鐵損的感應(yīng)電機(jī)矢量控制模型中，我們可以發(fā)現(xiàn)，電壓，電流，頻率，磁通，轉(zhuǎn)速之間是相互影響的。我們要實(shí)現(xiàn)的控制電壓（電流），轉(zhuǎn)速，同時控制磁通量，使得電機(jī)的損耗降低。

電機(jī)的效率定義為輸出功率Pout與輸入功率Pin的比值，即為

在一個穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行情況下，電機(jī)的輸出功率，即有用功率是固定的，因此降低輸入功率，即減少無用損耗是提高效率的唯一途徑。

基于以上思想，國內(nèi)外學(xué)者主要提出過4 種不同控制方法：①損耗模型的最優(yōu)勵磁控制；②最小功率搜索法控制[9]；③損耗模型與最小功率搜索法混合控制[10]；④最小定子電流控制。其中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的搜索法控制，需要基于大量而復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)，對于控制電路的要求較高，僅用于轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩變化不大的港口輸送機(jī)系統(tǒng)，并不實(shí)用。而計(jì)算相對簡單的損耗模型的最優(yōu)勵磁控制就比較用于與該場景。

圖3 是基于最優(yōu)勵磁控制思想建立的感應(yīng)電機(jī)最優(yōu)效率控制原理。

圖3 感應(yīng)電機(jī)效率最優(yōu)控制原理框圖

給定皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速值，與感應(yīng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速檢測值，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩；磁通優(yōu)化計(jì)算是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩值獲得該工況下的最優(yōu)勵磁磁通；經(jīng)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q 坐標(biāo)系)電流換算變化得到三相定子坐標(biāo)系下的三相電流參考值[11-12]。

在Simulink 中建立感應(yīng)電機(jī)的模型。電機(jī)額定負(fù)載啟動，給定轉(zhuǎn)速1 440 r/min，并在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，t=1 s 時加入最大效率運(yùn)行控制策略。

圖4 效率最優(yōu)控制前后仿真波形

當(dāng)電機(jī)啟動進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后1 秒時加入效率最優(yōu)控制策略，電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩均沒有較大的波動，而損耗從350 W 降低到了180 W 左右，有較為明顯的下降過程。

5 結(jié)語

本文以港口帶式輸送機(jī)的驅(qū)動電機(jī)為研究對象，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下，建立了考慮鐵損的感應(yīng)電機(jī)暫態(tài)電路模型，提出了感應(yīng)電機(jī)最大效率矢量控制策略，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究。仿真分析發(fā)現(xiàn)，這一控制策略應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)控制后，降低了可控?fù)p耗，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率，對于港口企業(yè)節(jié)能，環(huán)保減排方面都是有相當(dāng)意義的。