变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的应用研究

2022-04-20韩宝虎屠凤钊

煤炭加工与综合利用 2022年2期

赵亮，韩宝虎，屠凤钊

(国能宝日希勒能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021000)

矿产是我国社会生产发展中必不可少的资源，为了实现可持续发展的长远目标，节能降耗的生产要求需要落实在生产生活的各个方面[1-2]。矿山的开发与产品的运输过程中，存在大量的资源消耗问题，特别是电力能源的消耗过多，大量的电力设备运作造成了电力能源的过度消耗与资源浪费，对矿产企业和社会的经济效益与生态效益都造成了极大的影响，不符合我国当前的新时代发展要求，因此，变频调速逐渐成为矿山应用技术研究中的热点[3-4]。

变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术。其可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电。随着科学技术的发展和社会生产的需求，无论工业生产或者生活日用，都能见到变频器的应用。变频技术以其高性能、低成本、节能降耗等优势得到市场的青睐，在大型电力设备中得到广泛应用。在矿山企业的生产活动中，大型的机械电力设备(如运输器、提升机、风机、水泵等)都可以通过应用变频技术来进行改造提升[5]。

本文主要阐述了变频技术在自动控制方面的优势，介绍了变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的原理与相关装置，并通过设计相应的应用方案和具体的实验研究，对变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的应用进行了全面的研究分析。

1 变频技术自动控制优势分析

变频技术在矿山运输栈桥自动控制应用中的优势，主要有以下几个方面。

(1)通过自动调整直流电与交流电的转换，能够最大程度减少电力能源的额外损耗，充分发挥电力能源的经济效益。

(2)变频技术能够较为智能化、自动化地控制电力设备的运输速度与运行时间，提高整个运输系统的工作效率，有利于矿山运输工作的高效性和稳定性。

(3)技术操作难度便于应用控制，安装过程较为简单，且成本较低，适用性强，能够在多种电力设备中得到应用安装，而且出现故障时维修过程也比较简单，便于应用和维修。

(4)变频技术具有较强的灵活性，能够根据电力设备的实际情况进行不同的参数设置，使变频装置与电力机械能够达到很好的配合状态，进而提高机械的工作效率。

(5)通过实施矢量控制的闭环方式，能够使运输机在启动时就能获得较高的转矩，同时具有良好的调速性能与制动性能，能够自动分析运输机工作情况，并相应进行工作速度控制，防止意外情况造成机械故障损失[6-7]。

2 基于变频技术的运输栈桥自动控制

2.1 变频技术原理

变频器内部结构如图1所示。

图1 变频器内部结构

变频器的起动电流为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为80%～120%额定转矩；变频电源的整个电路由交流转变为直流，再转变为交流，最终转化成平滑滤波，因此，其输出的电压和电流波形均为纯正的正弦波[8-9]。变频电源电路如图2所示。

图2 变频电源电路

电流经过变频装置后，电压及功率相应发生变化，具体变化数值可通过公式计算。定子电压的计算公式如式(1)所示：

U=E+IR

(1)

其中，I为电流，A；R为电子电阻，Ω；E为感应电势，V。由此可见，电流与电阻为主要变量，影响定子电压的数据变化。而感应电势的数值计算公式如式(2)所示：

E=kfX

(2)

式(2)中，k为常数；f为频率，Hz；X表示电磁通，Wb。当电流功率较小时，电磁通也会相应减小。根据上述公式能够得到电流经过变频器逆变之后的电压数据变化情况。

2.2 信号控制

变频技术在矿山运输栈桥自动控制的应用需要匹配信号装置对矿山生产活动进行信号控制。在矿山运输栈桥进行运输工作时，运输机的运行状态、周围环境的干扰信号及矿山后台总控制系统的相关指令等多种信号，都需要信号控制装置进行检测分析。通过信号传感器，将各种信号信息采集并传输至信号控制装置的处理程序中，对信号数据信息内容以及相关操作等情况进行逻辑分析与相关性运算，检测是否存在异常信号。经过信号控制系统检测后，正常的信号数据可以继续进行相关运作；一旦出现检测异常的信号信息，检测系统将发出报警信号，通过通信系统将故障信息传输给总控制中心和相关工作人员，并启动相应的信号处理程序对异常信号进行故障检验和维修处理，根据异常信号的类型检测出机械设备中对应的可能存在故障的部分，对其进行故障检测[10-12]。信号控制系统还能够提取设备相关的参数与工作状态信息数据，便于对设备故障进行维修。变频信号如图3所示。

图3 变频信号示意

2.3 驱动装置

基于变频技术的运输栈桥自动控制驱动装置需采用交流变频驱动装置，本文研究选用的是适用于标准电流电压的ACS800交流变频器。矿山运输栈桥在自动工作状态时，变频器通过控制电力半导体器件的开关状态，调整电流输入的电流与电压的波形，通过二极管等器件消除电流流动过程产生的信号干扰[13-14]。驱动装置如图4所示。

正常流动的电流能量通过逆变侧的半导体回流到直流电路中，如图5所示。如果电路整体电压超过了变频装置的电压设定范围上限，超出范围的电流能量将流入支线部分，通过逆变器的半导体部件将直流电转化成交流电，经过逆变侧半导体回流到电网中，如图6所示[15]。变频装置的整流器将根据相应的电压范围设定情况调整电流的流动状态，进而在条件允许的情况下，尽可能节约电力能源消耗，以达到节能减排的工作目标。

图5 输入电流电压波形

图6 回流电流电压波形

3 矿山运输栈桥自动控制中变频技术应用方案

传统的矿山运输栈桥控制方案存在以下几方面问题：

(1)触控点控制问题。由于矿山运输栈桥控制系统采用的是适用于大容量运输的控制开关，其控制范围较大，工作人员与机械设备的维修人员在进行具体细节工作时，对开关的操控难度比较大，容易影响整体运输系统的工作。因此，运输栈桥控制开关触控点问题是目前转子回路控制方案制定时需要解决的重要问题。

(2)调速控制问题。根据前文所述，控制系统的控制范围较大，控制区域划分难以顾及到细节处，对于局部小范围的控制无法达到精准的控制水平。因此，在方案需要涉及细节的、具体的运输速度控制时，运输栈桥的控制开关可能无法实现方案的目标要求，对于速度和加速度的控制调整结果也由于硬件设备的缺陷而无法达到工作人员的理想状态。

(3)工作效率问题。矿山运输栈桥在较低的速度状态下运行时，其电力能源消耗量较大，虽然通过变频技术装置电流运输状态进行了改善，但是在低速运行时，运输栈桥所需的电力能源要高于正速度或较快速度运输所需的电力能源，同时产生的电阻消耗功率也比较大，因此，导致运输栈桥的工作效率降低，电力能源也产生额外的损耗。

(4)运输栈桥的性能弱化问题。利用转子回路调速控制方法进行方案制定时，虽然注重了电力能源电阻的功率降低，但是也导致了运输栈桥的机械设备性能无法达到最佳状态。所以这种方案在电阻功率方面节省了能源消耗，但在设备运行方面的效率也相对降低。

针对以上问题分析，设计制定了矿山运输栈桥自动控制中变频技术应用方案。

3.1 转子回路调速控制

在矿山运输栈桥自动控制变频技术应用方案中，首先要进行转子回路调速控制。在矿山运输栈桥进行运输工作的过程中，为了使运输速度变化保持平稳状态，需要利用变频技术使运输机内部电流转换器进行一定的吸合作用，降低转子回路的线路电阻，使运输机的速度变化相对保持稳定。同理，如果需要降低运输栈桥的运输速度，则需要加大转子回路的线路电阻。如果需要对运输栈桥减速段的运输状况进行改善，调整其运输速度和负重情况，那么需要采用动力制动办法，即通过切断转子回路定子侧的电源线路，将交流电改为直流电，即可改善运输减速段的运输状况。转子回路内部主站板如图7所示。

图7 转子回路内部主站板示意

通过转子回路调速控制进行电流变频调速的公式为：

式(3)中，φ为变频控制的电流磁通，Wb；N1为此时电流绕组的匝数；f1为此时的电源频率，Hz；U1为此时的电压值，V。由公式(3)能够计算出此时刻的电流变频调速结果，然后需要通过模糊控制进一步加强自动控制的应用性能。

3.2 模糊控制

模糊控制主要是利用控制系统的二维变量输入程序，实时检测运算运输过程的误差变化率。并通过运输状态监测系统，获取关于运输栈桥工作过程中的各方面参数和变量，然后利用运算得到的误差变化率进行误差信号数据计算，见公式(4)。

式(4)中，J为误差变化数据，Kb；i为参数样本数量，Kb；n为样本总量，Kb；u为误差变化率，%；x为参数数值；c表示相关变量数值。

将运算所得的数据信息转化为模糊数据，经过模糊矩阵运算处理得到运输栈桥工作状态的各部分模糊信号变化，模糊矩阵运算见公式(5)。

式(5)中，参与运算的依旧为上述运输设备某一方面的变化情况，运算变量转变为参数的模糊数据变量，j表示模糊数据变量的样本数量，m表示模糊数据的相关性系数。根据该公式能够得到运输栈桥工作状态的各部分模糊信号变化，通过变频装置对运输装置的模糊控制变量进行精确控制。模糊控制如图8所示。

图8 模糊控制

基于模糊控制的变频技术应用方案，主要采用的是模糊控制的相关原理与技术，是非线性的控制技术，因此其控制范围较大，而且能够灵活调整控制范围，能够根据工作所需进行适当的范围调整。同时，非线性的控制操作相比于传统的线性制方法具有较大的便利性，所需的控制线路相对减少，控制装置结构简单，便于控制工作清晰有序的进行。

3.3 直接转矩控制

直接转矩控制应用方案主要利用运输机械工作状况的相关情况，进行瞬间矢量运算，设定更具体的运输机速度控制范围，如式(6)与式(7)。

式(6)(7)中，Mmax为直接转矩数值上限，P/n；Mmin为直接转矩数值的最小值限制，P/n；P为运输栈桥负荷量，kW·h；H为运输高度，m；Q为运输机械自身重量，t；D为直接转矩的直径，m；m表示运输距离矢量参数，m；md表示变频后的运输矢量数据，Kb。

通过式(6)(7)运算得到运输机械的具体控制数据值域，并将所得数据与目标设定数据进行比较，分析相关性与差距所在，然后有针对性地对其进行控制运算，运输速度控制的计算公式如式(8)所示。

V≤kQ+P(H-2x)-∑m-md≤rV

(8)

式中，V表示控制速度，m/s；x为相关参数数值，m/s；r表示此时电流的转子电阻定额，是固定常数。

根据式(8)能够得到自动控制运输速度的值域，以便更精准地对控制目标进行相关操作。直接矩阵控制流程如图9所示。

图9 直接矩阵控制

结合了直接转矩控制的应用方案的应用效果比较好，能够将自动控制系统的运作与运输栈桥的实时工作情况联系起来，控制效果更精准。而且控制流程比较简单，其操作反应较为灵敏，操作速度与效率较高，有利于运输控制系统整体工作效率的提升。相对于其他方法来说，直接转矩控制应用方案是一种综合性能较高的控制应用方法，能够在规模较大、对安全性要求较高的矿山运输控制工作中得到更广泛应用。

4 实验研究

为了检验本文研究的变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的应用效果，本文设计了实验研究，选用了传统的基于PLC的矿山运输监测控制系统与基于GPS的矿山运输机械控制系统进行了对比实验，对三种控制技术的精准度进行了研究分析。煤矿运输网络如图10所示。

图10 煤矿运输网络示意

根据上图对变频技术和传统技术进行实验对比。输送功率值如图11、图12所示。

图12 控制精度实验结果

矿山的运输栈桥在运行过程中，运输机械会产生一定程度的损耗，机械的轴承、滚筒和带面等设备部件会随着运输工作而产生摩擦，运输速度越快，设备部件之间产生的摩擦就越多，造成的机械磨损就越大。同时，损耗程度也受运输负载量的影响，当运输栈桥的运输量较大时，运输设备受力越大，产生的物理损耗就越多，并且为了达到一定的运输效率，运输速度会相应增加，因此造成运输电能消耗也随之增加。本文研究的控制系统在同样的运输情况下，能够有效调节电能的使用情况，使单位条件下的运输功率相比于传统技术要低很多。

本文研究的变频技术在矿山运输栈桥自动控制系统比传统的控制系统操作精准度更好。由图12中数据可见，运输栈桥在降速的运输状态时，精准度受到的影响较大，操作精准度结果与匀速和加速时都存在一定差距；而运输栈桥处于匀速的工作状态时，控制系统的控制精准度最高。

本文研究的控制系统在运输栈桥匀速工作时的控制精准度达到了98.1%，在降速运输时控制精准度最低，但也达到了95.6%，精准度控制水平总体都在95%以上，可见变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的应用效果十分良好，与矿山运输系统的适配性也比较高。

基于PLC的矿山运输监测控制系统的控制精准度结果比较均衡，说明该控制系统的检测水平比较稳定，但是其精准度并不是很高，在运输栈桥匀速运输时的控制精准度也只是89.1%，可见这一控制系统的控制能力相对较弱，难以实现较为复杂的运输栈桥控制任务。基于GPS的矿山运输机械控制系统主要是利用GPS技术来实现机械控制的，本身就容易受到时间差异和空间距离等因素影响，导致检测结果误差较大，进而导致运输栈桥的控制精准度也相对较低，在降速运动时精准度最低为79.6%，而且其精准度差异较大，说明其控制效果不是很稳定。综上所述，变频技术在矿山运输栈桥自动控制中的应用效果更好。