煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阮文韜

(成都紡織高等專科學(xué)校 電氣信息工程學(xué)院， 四川 成都 611731)

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煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

阮文韜

(成都紡織高等?？茖W(xué)校 電氣信息工程學(xué)院， 四川 成都 611731)

針對變頻器發(fā)生故障時(shí)很難在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行的問題，設(shè)計(jì)了煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用應(yīng)急變頻裝置替代故障的原始變頻器來控制電動(dòng)機(jī)：當(dāng)原始變頻器發(fā)生故障時(shí)，PLC主控單元根據(jù)電動(dòng)機(jī)和變頻器的故障狀態(tài)實(shí)時(shí)控制應(yīng)急變頻裝置；當(dāng)應(yīng)急變頻裝置的輸出達(dá)到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件時(shí)，切換裝置立即動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急變頻裝置對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)在原始變頻器故障的情況下能夠快速接入應(yīng)急變頻裝置，具有較好的調(diào)速性能。

電動(dòng)機(jī)； 應(yīng)急調(diào)速； 應(yīng)急變頻裝置

(School of Electrical and Information Engineering, Chengdu Textile College, Chengdu 611731, China)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，采用變頻器控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)逐漸代替了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)具有快速、穩(wěn)定的特點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中得到了普及，成為主流的調(diào)速設(shè)備[1-4]。但是，變頻器的主電路是由電力電子開關(guān)器件組成，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)很難在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行，所以一旦故障就會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)非正常運(yùn)行，影響煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)由應(yīng)急變頻裝置、PLC主控單元和切換裝置等組成，PLC主控單元根據(jù)電動(dòng)機(jī)和變頻器的故障狀態(tài)，采用模糊PID算法實(shí)時(shí)控制應(yīng)急變頻裝置的輸出[7-8]，一旦應(yīng)急變頻裝置的輸出達(dá)到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件，切換裝置立即動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急變頻裝置對電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中應(yīng)急變頻裝置參數(shù)與原始變頻器控制參數(shù)相同。PLC主控單元采集并處理電動(dòng)機(jī)和原始變頻器的運(yùn)行信息，用于判斷是否出現(xiàn)故障，一旦檢測到原始變頻器發(fā)生故障，即對切換裝置和應(yīng)急變頻裝置實(shí)施控制。切換裝置根據(jù)PLC主控單元的信號(hào)，將應(yīng)急變頻裝置與故障變頻器進(jìn)行切換。應(yīng)急變頻裝置在PLC的指令下立即啟動(dòng)，并根據(jù)PLC的輸入信號(hào)來控制輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)工作原理如圖2所示。若電動(dòng)機(jī)在原始變頻器故障后處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，則切換系統(tǒng)中的鎖相環(huán)同步控制器。當(dāng)鎖相環(huán)同步控制器檢測到應(yīng)急變頻裝置與電動(dòng)機(jī)同頻同相時(shí)，將應(yīng)急變頻裝置與電動(dòng)機(jī)的接觸器閉合，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急變頻裝置對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制；若電動(dòng)機(jī)在原始變頻器故障后處于停止?fàn)顟B(tài)，則采用應(yīng)急變頻裝置重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

圖1 煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)急變頻裝置

應(yīng)急變頻裝置為交-直-交結(jié)構(gòu)，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置主要由主電路和控制電路組成，其中主電路包括整流器、直流側(cè)濾波器、逆變器。整流器用于將三相交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，直流側(cè)濾波器用于吸收整流側(cè)和逆變側(cè)的脈動(dòng)電壓，逆變器則用于將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)。控制電路由轉(zhuǎn)速檢測電路、運(yùn)算電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路等組成。檢測電路主要用于檢測系統(tǒng)的電壓、頻率等信息。運(yùn)算電路主要負(fù)責(zé)處理反饋信號(hào)，得到輸出信號(hào)的參考值。驅(qū)動(dòng)電路用于控制開關(guān)器件的通斷。保護(hù)電路用于保護(hù)變頻器和電動(dòng)機(jī)。

圖3 應(yīng)急變頻裝置電路結(jié)構(gòu)

2.2 PLC主控單元

PLC主控單元結(jié)構(gòu)如圖4所示[6]。

圖4 PLC主控單元結(jié)構(gòu)

2.3 切換裝置

用應(yīng)急變頻裝置替代故障變頻器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，需采用切換裝置，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 切換裝置電路結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

要使煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地投入運(yùn)行，應(yīng)急變頻裝置必須具有較快的啟動(dòng)速度，以便及時(shí)代替原故障變頻器。

3.1 主程序

煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。當(dāng)PLC主控單元檢測到原變頻器發(fā)生故障時(shí)，實(shí)時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急變頻裝置。應(yīng)急變頻裝置導(dǎo)入原變頻器的參數(shù)和工作頻率參數(shù)，然后將模糊PID子程序?qū)肫淇刂葡到y(tǒng)。

3.2 PLC主控單元切換程序

PLC主控單元切換程序流程如圖7所示。首先判斷原變頻器故障后電動(dòng)機(jī)是否停機(jī)，若電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，則切換程序重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)；若電動(dòng)機(jī)沒有停機(jī)，在故障變頻器停止工作后，延時(shí)2 s，啟動(dòng)應(yīng)急變頻裝置并封鎖其輸出，通過鎖相環(huán)同步控制器檢測應(yīng)急變頻裝置相位和頻率是否與電動(dòng)機(jī)一致，一旦檢測到同頻同相，則切換程序通過控制接觸開關(guān)控制電動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

圖7 PLC主控單元切換程序流程

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急變頻調(diào)速系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立系統(tǒng)模型，如圖8所示。具體參數(shù)如下：額定功率PN=200 kW，額定電壓UN=380 V，頻率f=50 Hz，定子電感L=20 mH，定子電阻R=0.03 Ω，轉(zhuǎn)子電感Lr=19 mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.026 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2.56 kg·m2，直流電壓Udc=900 V，電磁常數(shù)T=0.016。

原變頻器在0.5 s時(shí)發(fā)生故障情況下的電動(dòng)機(jī)輸出電流i和轉(zhuǎn)速n曲線如圖9所示。從圖9可看出，原變頻器故障前，電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速都處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；發(fā)生故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流降為0，轉(zhuǎn)速也逐漸下降 ，直至電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。

圖8 Matlab/Simulink仿真模型

圖9 原變頻器故障情況下的電動(dòng)機(jī)輸出電流和轉(zhuǎn)速曲線

以圖9所示的電動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)為例，在該狀態(tài)下投入應(yīng)急變頻裝置后的電動(dòng)機(jī)輸出電流和轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示。從圖10可看出，應(yīng)急變頻裝置開始時(shí)處于封鎖狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，輸出電流為0；0.5 s時(shí)開始啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)并接入應(yīng)急變頻裝置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；電動(dòng)機(jī)輸出電流由開始較大的啟動(dòng)電流過渡到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的電流，說明煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急變頻調(diào)速系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力。

圖10 投入應(yīng)急變頻裝置后的電動(dòng)機(jī)輸出電流和轉(zhuǎn)速曲線

5 結(jié)語

介紹了一種煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，在Matlab/Simulink平臺(tái)對系統(tǒng)可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)在原始變頻器故障的情況下，能夠快速接入應(yīng)急變頻裝置，具有較好的調(diào)速性能。

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Design of emergency speed regulation system of coal mine moter

RUAN Wentao

In view of problem that it is difficult to recover normal operation in a short time when frequency converter fails, emergency speed regulation system of coal mine moter was designed. The system uses emergency frequency conversion device to replace the failed frequency converter to control motor: when the original frequency converter fails, PLC main control unit controls emergency frequency conversion device in real time according to fault state of the motor and the frequency converter; when output of the emergency frequency conversion device reaches operating condition of the motor, switching device acts immediately, so as to realize stable control of motor speed. The simulation results show that the system can quickly access the emergency frequency conversion device when original converter fails, and has good speed regulation performance.

motor; emergency speed regulation; emergency frequency conversion device

1671-251X(2016)11-0055-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.013

阮文韜.煤礦電動(dòng)機(jī)應(yīng)急調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：55-58.

2016-06-06；

2016-09-26；責(zé)任編輯：胡嫻。

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0100)。

阮文韜(1982-)，女，四川樂山人,講師，碩士，主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動(dòng)化裝置，E-mail:928472178@qq.com。

TD614

A

時(shí)間：2016-10-28 16:28

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1628.013.html