礦井交流提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

胥 良,王金波,季厭浮,趙 杰,郭松林

(1.黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

礦井交流提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

胥 良1,王金波2,季厭浮1,趙 杰1,郭松林1

(1.黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150027)

針對礦井提升機(jī)電動機(jī)難以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速,調(diào)節(jié)性能差,調(diào)速過程中損耗了大量的轉(zhuǎn)差功率等不足,提出了將斬波串級調(diào)速應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的方案。相對于常規(guī)串級調(diào)速系統(tǒng),系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器。利用整流橋和由 IGCT構(gòu)成的直流斬波電路來連續(xù)無級改變電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電阻以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速?？刂品绞竭\(yùn)用具有電流負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的雙閉環(huán)控制,可以提高靜態(tài)調(diào)速精度,并獲得較好的動態(tài)特性。系統(tǒng)軟件主要對電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行了描述?，F(xiàn)場應(yīng)用證明,該方案節(jié)能效果好,調(diào)速性能大大改善,不但有效地提高了系統(tǒng)的功率因數(shù),而且還減少了裝置體積和生產(chǎn)成本。

轉(zhuǎn)差功率;斬波串級調(diào)速;IGCT;雙閉環(huán)控制;功率因數(shù)

在礦山生產(chǎn)中,礦井提升機(jī)起著井上和井下的連接,保證礦井安全生產(chǎn)的重要作用,因此,提升機(jī)的調(diào)速控制顯得尤為重要。

變頻調(diào)速設(shè)備在低壓小容量電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛,而在高壓大容量系統(tǒng)中存在成本高、體積大等問題,所以提升機(jī)電控系統(tǒng)中高壓變頻器沒有得到普及。

針對這種情況,設(shè)計了礦井提升機(jī)交流電動機(jī)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)。電動機(jī)等速運(yùn)行時是平滑過渡到電動機(jī)自然特性的,電動機(jī)轉(zhuǎn)子是短接狀態(tài),這時提升機(jī)的效率最高。本系統(tǒng)在現(xiàn)場得到良好應(yīng)用,調(diào)速性能可靠、節(jié)能效果明顯 。

1 繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串級調(diào)速系統(tǒng)

在繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入附加電阻后就可以改變轉(zhuǎn)差率,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速,這種方法稱為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速[1]。這種調(diào)速方法,因串入附加電阻而增加的轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式被附加電阻消耗掉。

如果在轉(zhuǎn)子電路中接入附加電動勢,同樣也可以通過改變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速,這種方法稱為串級調(diào)速。這種調(diào)速方法,由于接入附加電動勢而增加的轉(zhuǎn)差功率回饋給電網(wǎng)或者回饋到電動機(jī)軸上。異步機(jī)的轉(zhuǎn)差功率在電網(wǎng)、整流器、逆變器定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間進(jìn)行傳輸,在此過程中因?yàn)橛袚p耗而使系統(tǒng)效率降低,電機(jī)溫升升高。在串級調(diào)速系統(tǒng)中通過調(diào)節(jié)逆變角來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,因?yàn)槟孀兘鞘瞧交B續(xù)可調(diào)的,所以異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能被平滑連續(xù)地調(diào)節(jié)。但是為了使電動機(jī)有足夠的啟動力矩,串級調(diào)速設(shè)備的參數(shù)要選得很大,造成材料的浪費(fèi),而且逆變角越大,消耗的無功功率也越大,電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)越重[2]。

2 新型斬波串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理

2.1 新型斬波串級調(diào)速的方案

本文提出了新型斬波串級調(diào)速方案,在常規(guī)串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子直流回路中加入了直流斬波器,斬波器將整流器和逆變器連接起來[3]。

提升機(jī)中使用的交流電動機(jī)都是高壓電動機(jī),轉(zhuǎn)子電壓能達(dá)到 1000V,電流能達(dá)到 2000A,容量為 600～2000kW[4],所以斬波開關(guān)器件需要選用全控器件。

ABB公司的集成門極換向晶閘管 IGCT的可關(guān)斷的電流大、工作電壓高,單管可控制功率大,通態(tài)損耗低,開關(guān)周期能達(dá)到 0.001s,能夠滿足礦井提升機(jī)斬波串調(diào)系統(tǒng)的要求。

具有斬波控制的串級調(diào)速原理如圖 1所示。該系統(tǒng)能夠滿足負(fù)載驅(qū)動的要求。

2.2 新型斬波串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理

圖1中的集成門極換向晶閘管 IGCT、電容 C和二極管D構(gòu)成斬波升壓電路。B是逆變變壓器。二極管D的作用為隔離電壓和阻止電流倒流。電感L1的作用為平波和儲能。為維持逆變器的電流連續(xù),設(shè)置了濾波電抗器。

斬波器在開關(guān)狀態(tài)下工作。當(dāng)斬波器導(dǎo)通時,轉(zhuǎn)子整流電路被斬波器短路,電機(jī)轉(zhuǎn)子在短路狀態(tài)下工作,同時電容 C向逆變器放電,以維持 i2連續(xù);當(dāng)斬波器截止時,電機(jī)在串級調(diào)速接線狀態(tài)下工作,電機(jī)向逆變器傳遞轉(zhuǎn)差功率,同時電容 C充電。在交流電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時,改變 IGCT的開通占空比τ/T,就可以改變 i1的大小,也就改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 Te,進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的,其中τ為斬波器開關(guān)導(dǎo)通時間,T為斬波器開關(guān)周期。

為了減少逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率,提高系統(tǒng)的功率因數(shù),逆變器可固定選取最小逆變角βmin,其不隨轉(zhuǎn)速變化而變化,但能使逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率減到最小。在高速段運(yùn)行時,斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)改善很大,可接近電動機(jī)的自然功率因數(shù),達(dá)到 0.8以上,比傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)高得多。

2.3 雙閉環(huán)的控制方式

系統(tǒng)采用電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方式,可以提高靜態(tài)調(diào)速精度,并且得到良好的動態(tài)特性[6]。內(nèi)環(huán)為電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器,外環(huán)為速度調(diào)節(jié)器。

圖1中的增量式光電編碼器輸出速度反饋信號Un,霍爾電流傳感器輸出電流反饋信號 Ui。ASR為速度 PI調(diào)節(jié)器,ACR為電流 PI調(diào)節(jié)器。PWM為脈寬調(diào)制器,用于產(chǎn)生斬波器的脈沖信號。

速度給定信號 Ug與速度反饋信號 Un比較后,偏差信號送到 ASR,ASR的輸出再作為 ACR的給定信號 Ui＊,Ui＊與電流反饋信號 Ui比較后,偏差信號送到 ACR。ACR的輸出電壓 Uct作為控制電壓加到 PWM后與 P WM內(nèi)的載波相比較后輸出脈寬調(diào)制脈沖Up。Up經(jīng)隔離電路后就可以改變斬波器的占空比,從而控制轉(zhuǎn)子電流,即通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其中電流控制器的運(yùn)算、速度控制器的運(yùn)算以及 PWM斬波控制功能由電機(jī)控制專用芯片DSP-T MS320LF2407A處理器來實(shí)現(xiàn)。

3 IGCT吸收電路及驅(qū)動電路

提升機(jī)是一種往復(fù)運(yùn)動的生產(chǎn)機(jī)械,加、減速頻繁,所以半導(dǎo)體開關(guān)器件的工作電壓要高,開關(guān)電流要大,通態(tài)損耗要低,開關(guān)頻率要高。

針對礦井提升機(jī)的工藝特點(diǎn),斬波開關(guān)器件選用 IGCT器件代替老式的可控硅斬波器控制方案[7],斬波周期可達(dá) 0.001s,系統(tǒng)不僅改善了調(diào)速性能,還可以克服晶閘管需強(qiáng)迫換流的缺點(diǎn)。由IGCT構(gòu)成的斬波電路結(jié)構(gòu)簡單,控制簡單便捷。

IGCT吸收及驅(qū)動電路框圖如圖 2所示,由電阻 R、電容 C和二極管 D組成吸收電路,其中二極管為快速恢復(fù)二極管,能夠吸收 IGCT開關(guān)過程中的尖峰電壓,以保護(hù) IGCT防止被高電壓擊穿。由光接收器、光發(fā)射器和開關(guān)電源組成觸發(fā)電路。當(dāng)輸入信號為低電平時 IGCT導(dǎo)通,為高電平時IGCT截止。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在研究了系統(tǒng)的控制策略、控制算法和軟件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上,對系統(tǒng)中需要的程序進(jìn)行了設(shè)計。根據(jù)需要,有主程序、中斷處理程序、PI運(yùn)算程序、電流環(huán)控制程序和速度環(huán)控制程序等[8]。

采用定時器 1中斷標(biāo)志來啟動 A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請 ADC中斷。圖 3是 ADC中斷處理子程序流程圖。

圖2 IGCT吸收及驅(qū)動電路框圖

圖3 ADC中斷處理子程序框圖

用DSP控制能夠?qū)崿F(xiàn)對交流調(diào)速的控制,用程序控制能夠?qū)崿F(xiàn)很多原來由硬件接線才能完成的工作,例如雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的電流和轉(zhuǎn)速的 PI調(diào)節(jié)過程。在啟動時電流環(huán)工作,一旦速度出現(xiàn)超調(diào),速度環(huán)就開始工作。正常運(yùn)行后,電流環(huán)就實(shí)現(xiàn)對電流的跟蹤調(diào)節(jié),速度環(huán)實(shí)現(xiàn)對速度的跟蹤調(diào)節(jié)。

電流采樣和電流 PI調(diào)節(jié)在每個 PWM周期都進(jìn)行一次,為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制,電流采樣周期與PWM周期要相同。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

本系統(tǒng)從雞西市杏花礦應(yīng)用情況來看,系統(tǒng)調(diào)速范圍寬,轉(zhuǎn)速可從 950～1350r/min連續(xù)可調(diào)。對階躍輸入信號,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際轉(zhuǎn)速對給定轉(zhuǎn)速的跟蹤,而且穩(wěn)態(tài)時無偏差;在動態(tài)過渡時,系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和階躍給定信號之間有一些偏差。

斬波串級調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線如圖 4所示。

圖4 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

6 結(jié)論

本文從現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際需要出發(fā),以改善礦井交流提升機(jī)的性能、提高礦井提升機(jī)的提升能力和自動化水平為目標(biāo),在克服傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了對礦井提升機(jī)采用轉(zhuǎn)子斬波串級調(diào)速控制運(yùn)行的方案。

文中介紹了串級調(diào)速系統(tǒng)的控制方式和驅(qū)動電路等電路的工作原理,完成了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。系統(tǒng)推廣到現(xiàn)場應(yīng)用時,工作效率有了很大的提高,并且達(dá)到了節(jié)能的目的,還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,具有較強(qiáng)的實(shí)用價值和發(fā)展前景。

[1]楊麗丹,夏勇波,薛建軍,等.提升機(jī)高壓電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造 [J].礦山機(jī)械,2010,38(14)：99-101.

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[責(zé)任編輯：王興庫 ]

Research on Speed Control System of Alternating Lift for Mine

XU Liang1,WANG Jin-bo2,JI Yan-fu1,ZHAO Jie1,GUO Song-lin1
(1.Electric&Information Engineering School,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin,150027 China;2.Mechanical Engineering School,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin,150027 China)

In order to solve the problems in motor of mine lift including difficult stepless speed control,worse adjustment quality and large slip power loss,chopping cascade speed was introduced to be applied in electronic control system of mine lift.Direct current chopper was added into the direct current circuit of rotor in this system.Rectifier bridge and DC chopping circuit composed by IGCT was applied to continuous changing resistance of rotor circuit,thus stepless speed was realized.The control manner could improve static speed precision and obtain better dynamic quality by double closed loop control of current and speed negative feed.Soft ware of the system could calculate current circle and rotate speed.Application showed good energy conservation effect and speed quality.The system improved power factor and reduced device volume and production cost.

slip power;chopping cascade speed;IGCT;double closed loop control;power factor

TD534

A

1006-6225(2011)02-0085-03

2011-02-17

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助 (11541321)

胥 良 (1966-),男,黑龍江牡丹江人,教授,碩士,主要從事自動化和工業(yè)控制等方面的教學(xué)和科研工作。