異步電機(jī)矢量控制技術(shù)在礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳亞南

（華陽(yáng)集團(tuán)機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽(yáng)泉 045008）

引言

礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)被稱為“礦井肺臟”，能給礦井提供足夠的新鮮空氣，調(diào)節(jié)礦井內(nèi)部環(huán)境的濕度和溫度，稀釋或排除井下的有毒氣體和粉塵。當(dāng)?shù)V井通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生意外時(shí)，將直接影響礦井的正常運(yùn)行和井下工作人員的生命安全，因此，建立安全高效穩(wěn)定的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)是十分必要的。礦井通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸和風(fēng)機(jī)組成，一般由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)給礦井通風(fēng)。前期多采用人工監(jiān)控方式監(jiān)測(cè)通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可靠性低、能耗高、人工成本高，因此，建立自動(dòng)化的礦井通風(fēng)機(jī)監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)重要的研究課題，它可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)等功能。由于目前礦井采用恒定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)，風(fēng)機(jī)輸出量不變，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速的要求，并且效率低、電能消耗大[1]。而通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)能夠調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，一般采用變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的三種方式有U/F 控制方式、矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制，其中矢量控制方式具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，廣泛應(yīng)用于礦井通風(fēng)系統(tǒng)交流電機(jī)的調(diào)速[2]。本文提出了一種以PLC 為核心的智能通風(fēng)機(jī)化監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的異步電機(jī)矢量控制技術(shù)，同時(shí)為改善矢量控制對(duì)參數(shù)的敏感性，引入了具有強(qiáng)魯棒性的變結(jié)構(gòu)控制理論[3-4]，提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)約了能源。

1 通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 所示為通風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判斷和輸入輸出控制，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析處理、狀態(tài)顯示和打印輸出，通過(guò)該系統(tǒng)地面工作人員能夠準(zhǔn)確掌握通風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要任務(wù)是通過(guò)溫度、壓力等傳感器實(shí)時(shí)采集關(guān)鍵部位的溫度、壓力和風(fēng)量，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要任務(wù)是基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同的生產(chǎn)條件，通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)風(fēng)量的靈活控制。圖1 為通風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同的是，調(diào)節(jié)系統(tǒng)添加了變頻器，將額定的工作頻率轉(zhuǎn)變成目標(biāo)頻率的交流電源，然后實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。系統(tǒng)硬件采用西門子S7-300 系列PCL，CPU 為CPU312，擴(kuò)展模塊為EM332；PLC 組態(tài)的編譯由STEP7 編程軟件完成，上位機(jī)人機(jī)界面使用WinCC 編譯，上、下位機(jī)的通訊由MPI 通信協(xié)議完成，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

圖1 礦業(yè)通風(fēng)機(jī)監(jiān)控和調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 異步電機(jī)矢量控制技術(shù)的研究

2.1 異步電機(jī)的矢量模型的建立

電機(jī)速度控制的關(guān)鍵是電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)由于電樞電流Ia和轉(zhuǎn)矩電流If不存在耦合關(guān)系，任意單一變量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，而交流電機(jī)含有多個(gè)變量，耦合情況復(fù)雜，因此需要對(duì)變量解耦才能控制電磁轉(zhuǎn)矩，這也是矢量控制的核心。本文基于坐標(biāo)系變化理論，將原先a-b-c 坐標(biāo)系下的異步電機(jī)模型轉(zhuǎn)換為d-q-n 坐標(biāo)系，雖然消除了電感系數(shù)Laf的影響，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)相似的控制效果；再將轉(zhuǎn)子磁鏈定位在d 軸上，在轉(zhuǎn)子的恒磁鏈約束條件下，電機(jī)方程得到明顯簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)矩、端電壓、q 軸電流變量等均可直接由電源頻率和轉(zhuǎn)差頻率表示，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的解耦，得出了基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制模型，達(dá)到了與直流電機(jī)相似的控制效果，將該模型應(yīng)用于鼠籠異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別得出了電壓型和電流型的控制理論。

2.2 異步電機(jī)的矢量模型的Matlab 仿真結(jié)果

在Matlab 仿真軟件設(shè)置鼠籠式異步電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：包括額定頻率、額定電壓、定子和轉(zhuǎn)子相繞組電阻等。先輸入給定轉(zhuǎn)速值1 500 r/min，系統(tǒng)基于電壓型矢量控制理論，由矢量控制器分別計(jì)算出三相電源的幅、基頻角速度和初相位，而三相電源根據(jù)上述計(jì)算值生成相應(yīng)的三相正弦波，再傳遞至三相電機(jī)，最終得出轉(zhuǎn)速響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。本文模擬分析了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的結(jié)果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)性能非常接近，但后者的動(dòng)態(tài)性能要優(yōu)于前者；在轉(zhuǎn)速響應(yīng)方面，開(kāi)環(huán)控制的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.3 s 遠(yuǎn)大于速度閉環(huán)控制的條件0.05 s，同時(shí)在超調(diào)量方面，閉環(huán)控制也低于開(kāi)環(huán)控制；而根據(jù)不同條件的仿真波形，充分說(shuō)明了矢量控制理論有利于三相異步電機(jī)的調(diào)速的控制。

2.3 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)化

異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)使交流電機(jī)獲得了與直流電機(jī)相似的調(diào)速性能，滿足了現(xiàn)代化礦井通風(fēng)系統(tǒng)的要求。但是由于矢量控制系統(tǒng)是基于電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的，參數(shù)值越精確，控制越準(zhǔn)確靈敏。但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，繞組自感、電阻等參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度變化發(fā)生非線性變化，因此需要克服控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的依賴性，提高矢量控制系統(tǒng)的魯棒性。本文將對(duì)參數(shù)變化不敏感的變結(jié)構(gòu)引入矢量控制系統(tǒng)，變結(jié)構(gòu)是智能控制的組成之一，確定了滑模的運(yùn)動(dòng)方程和達(dá)到條件，設(shè)計(jì)了滑模速度控制器，對(duì)該控制器進(jìn)行了仿真模擬。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，控制系統(tǒng)當(dāng)受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)后能快速恢復(fù)平衡；當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大時(shí)，常規(guī)的矢量控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，而具有滑模速度控制器的矢量控制系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)外界條件或系統(tǒng)參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，兩種控制系統(tǒng)功能相差不大。因此，滑模速度控制器的增加，提高了矢量控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化的魯棒性，增強(qiáng)了異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)異性。

3 結(jié)論

新型的自動(dòng)化通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，以PLC為核心原件，將傳感器采集的溫度、壓力和風(fēng)量等參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞至用戶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；采用矢量控制技術(shù)對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，解決直流電機(jī)效率低和消耗大的問(wèn)題，用戶可根據(jù)生產(chǎn)需要和環(huán)境條件調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)速；將滑模變控制理論引入矢量控制系統(tǒng)，提高了電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的魯棒性，克服了對(duì)參數(shù)變化敏感的缺點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的監(jiān)控方案具有顯著的優(yōu)異性。