输送机交流调速控制系统研究

金爱娟，陶伟涵，魏子卜，孙玉棉，张峥祎，马贝贝

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

输送机交流调速控制系统研究

金爱娟，陶伟涵，魏子卜，孙玉棉，张峥祎，马贝贝

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093)

在火电厂输煤传送系统中，需要采用变频器改变交流电机频率，实现交流电机调速。文中针对输煤传送系统中传统的直流电机维护困难、成本高、对环境要求严格的问题，采用交流电机输送，节约维护成本。系统利用PLC和变频器协同控制，将检测量反馈至PLC，实现PLC对变频器的逻辑控制。更进一步地在控制系统中，采用空间矢量调制算法，对调速系统进行了建模与仿真，结果表明，改进的调速系统更精确、抗干扰能力更强，实现了良好的调速性能。

输煤传送系统；PLC；变频器

以往的输煤传送系统，多采用直流电机调速，其优点是调速易于实现，控制系统简单。但直流电机通常采用电刷打火方式，维护困难、成本高，对环境要求较高，因此逐渐被成本低廉、易于维护的交流电机所取代。在众多的交流调速技术中(如变极调速、变转差率调速等)，随着交流变频调速在众多领域得到广泛应用[2]，变频器的生产成本逐渐下降，可靠性不断增强，性能不断改善。火电厂输煤控制系统中有大量的设备需要由交流电动机驱动，因此电动机变频调速改造对于火电厂来说，无论是从节能增效角度考虑还是对于全社会节能减排战略都具有重要的现实意义[2]。本次设计中，带式传送机控制系统由PLC和变频器实现协同控制，将检测量(如电机转速)接入PLC，从而实现PLC对变频器的逻辑控制[3]。

1 PLC对变频器的控制方法

PLC与变频器的传输带协同控制系统中，PLC和变频器为系统的控制器，输送机的电机为被控对象，速度传感器将转速信息反馈给变频器和PLC，组成双反馈控制系统。PLC可以通过PID和模糊PID等方式调节变频器的参数，达到精确控制电机转速的目的。现阶段的变频器功能丰富，性能越来越优，采用空间矢量调制算法等方式，完成系统的精确控制，而不需要PLC额外的参与调制。

(1)交流调速原理。变频器的调速原理其实就是利用半导体元器件的通断作用[4]，将工频电源变换为所需频率的电源，其原理用公式可表示为

(1)

式(1)中，电动机定子绕组的磁极对数pn及转差率s一定时，通过改变电源频率f1即可改变电动机同步转速[5]n0，从而达到改变电动机转速n的目的。

图1 速度闭环控制系统传递函数

由传递函数可以看出此系统为5阶段系统，为了将其简化成直观易于分析和设计的典型系统，需要对速度闭环系统做一些近似处理，令

(2)

(3)

经过近似处理后，原速度闭环控制系统如图2所示，图中J为电机转动惯量。

图2 近似处理后得速度闭环控制系统

经过近似处理之后的速度闭环系统开环传递函数为

(4)

开环传递函数有两个积分环节，为典型的Ⅱ型系统，Ⅱ型系统有良好的抗干扰性能，根据Ⅱ型系统工程设计准则，令h=5,其调节时间最短，动态更随性能比较适中。由上得到

τw=hTw=10τi1+5τw1

(5)

(6)

由此，得到速度外环PI调节器参数的最终整定值为

(7)

2 调速系统模型的建立

根据调速系统的控制原理搭建变频调速控制系统模型，采用外部控制器给定一个预想的速度值，用速度传感器对速度反馈进行测量[7-8]。系统结构如图3所示。

速度传感器和变频器组成转速闭环的矢量控制系统，将给定转速与反馈转速的偏差值输入速度调节器 ASR进行计算调节，形成T轴转矩电流。采用恒压频比控制方式后，M轴转矩电流往往是固定值，M轴T轴电流经过坐标变换、电流电压转换后形成两相旋转电压uα、uβ，然后uα、uβ输入SVPWM模块输出驱动脉冲，完成直流电压逆变成任意频率的交流电压的过程，驱动电机[9]。

图3 转速闭环的变频驱动系统原理框图

三相PWM信号合成模块等。仿真时设置交流电机参数如下：额定功率75 kW；额定转速1 400转/分；额定电压380 V AC；额定频率50 Hz；定子绕组电阻0.68 Ω；转子绕组电阻0.45 Ω；定子绕组漏感0.004 6 H；转子绕组漏感0.004 6 H；互感0.148 8 H；转动惯量0.05 kg·m2；摩擦系数0.008 1；极对数2；速度调节器比例系数3.8；积分系数0.8。

交流调速控制系统的Matlab仿真模型如图4所示，主要由SVPWM模块、交流电机、速度环等模块组成。

图4 转速闭环的变频驱动系统仿真模型

3 调速系统仿真

(1)空载启动实验。

在启动仿真实验过程中对控制系统进行空载启动。给定额定转速1 400 r/min，观察启动效果，启动转矩及速度仿真波形图如图 5所示，横坐标表示时间t，横坐标表示时间t，上图纵坐标表示电机输出转速，单位r/min，下图纵坐标代表转矩，单位N·m。

图5 电机启动转速、转矩波形

(2)抗扰动实验。系统的抗扰动性体现在对负载突变时转速的变化情况，本次抗扰动性仿真是通过在1 s内负载多次突变的情况下进行的，用来模拟系统对负载突发变动的实时性[10]。

图6 负载连续增加转速、转矩变化情况

负载连续增加：设置负载转矩在t=0 s 时，TL=0 N·m；t=0.4 s时，TL=50 N·m；t=0.6 s时，TL=80 N·m；t=0.8 s 时，TL=120 N·m，电机的输出转速、转矩如图6所示。图6～图12中，横坐标表示时间t，上图纵坐标表示电机输出转速，单位r/min，下图纵坐标代表转矩，单位N·m。

负载连续减少：设置负载转矩在t=0 s 时，TL=0 N·m；t=0.4 s 时，TL=100 N·m；t=0.6 s 时，TL=60 N·m ；t=0.8 s 时，TL=40 N·m，电机的输出转速、转矩如图7所示，横坐标表示时间t，上图纵坐标表示电机输出转速，单位r/min，下图纵坐标代表转矩，单位N·m。

图7 负载连续减少时转速、转矩变化情况

负载越变：设置负载转矩在t=0 s时，TL=0 N·m；t=0.4 s 时，TL=120 N·m；t=0.6 s时，TL=40 N·m；t=0.8 s时，TL=100 N·m，电机的输出转速、转矩如图8所示，横坐标表示时间t，上图纵坐标表示电机输出转速，单位r/min，下图纵坐标代表转矩，单位N·m。

图8 负载越变时转速、转矩变化情况

由以上3图可知[11-12]，无论是负载连续减少、连续增加还是越变的情况下，转速在轻微的变动过后都维持在设定值。这表明无论是在静态情况下还是在动态情况下，系统对负载变化有很好的抗扰动性[13]，即变频驱动系统能够很好地实现系统的所需要的控制精度和要求。这说明采输煤系统用交流调速系统是最合适的选择。

4 结束语

研究了带式输送机电机调速控制系统，介绍了交流变频调速原理，建立了闭环调速模型并通过软件进行仿真，仿真结果表明改进过的调速系统调速效果精确，且具有较强的抗扰动性，适用于输煤现场恶劣的运行环境[14-15]。

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Current Sharing Technology of Parallel Buck Converter

JIN Aijuan,TAO Weihan,WEI Zibu,SUN Yumian,ZHANG Zhengyi,MA Beibei

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

In the thermal power plant coal transport system, the frequency converter is used to change the frequency of AC motor to adjust AC motor speed. The traditional DC motor has many problems such as difficult maintenance, high cost and high environmental requirements.AC motor transport can save maintenance costs. This paper uses PLC and the frequency conversion control. The detection feedback to PLC is used to realize the logic control of inverter. Even further, this paper uses space vector modulation algorithm in the control system and the speed control system is modeled and simulated. The results show that the improved control system is precise and stronger. It can achieve a better control performance with the anti-interference ability.

coal conveying system; PLC; frequency converter

2016- 03- 27

金爱娟(1972-),女,博士,副教授。研究方向：电力电子非线性及控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.041

TM 621

A

1007-7820(2017)04-162-04