基于耦合補償的矢量變頻驅動帶式輸送機的功率平衡控制策略

陳 梅 毛映霞 陳 薇 李 鑫

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

符號說明

I——電機電流；

IN——電機額定電流；

Ist——電機啟動電流；

n0——電機同步轉速；

nd——電機轉速；

nm——電機臨界轉速；

nN——電機額定轉速；

p——電機的極對數；

s——電機的轉差率；

sm——電機的臨界轉差率；

sN——電機額定轉差率；

T——電機轉矩；

Tmax——電機的最大轉矩；

TN——電機額定轉矩；

Tst——電機啟動轉矩；

Uφ——電機的相電壓；

ωd——機械角速度。

隨著工業技術的不斷發展，煤炭、石油及化工等行業對生產運輸的需求不斷提高，大量長距離、大運量、大功率的帶式輸送機被投入使用。由于單臺電機所能提供的驅動力有限，大型帶式輸送機通常采用多臺電機驅動的方式。在多臺電機的同步驅動過程中，關鍵問題是電機之間的功率平衡控制。功率平衡的最終目標是實現系統的穩態平衡與動態平衡[1]。穩態平衡是指系統在穩態運行時電機的輸出功率按理想的牽引力比例分配，電機之間負載率保持一致。不出現單臺電機長時間過載或者欠載的現象。動態平衡是指系統在啟動、停止或加減速的過程中每臺電機同時平衡出力，尤其是當帶式輸送機滿載時，每臺電機逐漸加速至最大驅動力，實現滿載啟動。

影響電機功率平衡的主要因素有電機的參數、輸送帶的剛度、傳動裝置的傳動比和效率、驅動滾筒之間的阻力、運行總阻力及滾筒半徑等[2]。這些因素在設備選型之后也就確定了下來，但在帶式輸送機運行的過程中，電機的工作特性會發生變化，滾筒表面的粘著物、運行過程中的磨損都會導致滾筒直徑的變化。這些動態因素難以預計，所以需要依靠控制手段來進行調整，從而提高系統的穩定性。*收稿日期：2015-01-25(修改稿)

由于變頻器具有調速范圍寬、精度高、調速平滑、穩定可靠及節能效果顯著等特點，變頻驅動逐漸取代傳統的液力耦合、液阻及電磁閥等設備，成為帶式輸送機驅動的主要選擇。筆者針對雙電機變頻驅動的矢量控制系統，提出了一種基于耦合補償的電機功率平衡控制策略。

1 功率平衡控制的原理

1.1 三相異步電動機的固有特性

圖1 三相異步電動機的固有機械特性

三相異步電動機輸出功率P2、機械角速度ωd和輸出轉矩T的關系如下：

P2=Tωd

(1)

當電機為電動狀態時：

(2)

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)可得：

(4)

其中nc=n0-nm。

三相交流異步電動機轉速nd、滾筒轉速ng、滾筒半徑R、帶速v以及電機與驅動滾筒之間的傳動比ic具有如下關系[4]：

(5)

而輸送帶的帶速v與時間間隔t內通過某點的輸送帶長度l、輸送帶處于自然態時的帶速v0、輸送帶與驅動滾筒相遇點的張力S以及輸送帶(膠帶)的拉伸剛度E0有以下關系：

(6)

(7)

由此可以看出，電機的功率P與參數Tmax、ic、v0、R、n0、nc有關，其中ic、R在設備選型之后是固定不變的，Tmax、nc對于同一型號的電機來說近似不變，可以看成定值，而v0在正常運行期間也是固定常數，所以電機的功率主要取決于變量n0的大小。

式(7)對n0求導得：

ncπR=πR(n0-nm)

忽略膠帶的拉伸形變時，v=v0，由式(5)可得n0πR-30icv0=πR(n0-nd)。由三相異步電動機的固有機械特性可知，nd≥nm，求導符號為正，電機的功率與n0成正比。

1.2 三相異步電動機的變頻調速特性

帶式輸送機為恒轉矩負載，在變頻器采用恒轉矩方式進行調速時，Uφ/f為定值，即對于同一轉矩，在變頻調速時，轉速降Δn近似不變。圖2為異步電動機恒轉矩變頻調速時的機械特性，其中f1>f2>f3，在輸出轉矩Tl不變的前提下，電機的同步轉速n0和輸出轉速n隨著頻率的降低而不斷減小。

圖2 異步電動機恒轉矩變頻調速時的機械特性

三相交流異步電動機同步轉速n0與頻率f具有以下關系[5]：

(8)

將式(8)代入式(7)并對f求導，判斷正負方法同前所述，結果為正。

2 功率平衡控制策略

基于耦合補償的功率平衡策略采集了每臺電機運行參數的變化量，在分析其差異性的基礎上對每臺電機都進行給定參數的補償。這種策略不僅考慮了單驅動系統給定轉速與實際轉速之間的跟蹤誤差，還考慮了各電機之間的同步誤差。當受控的任何一臺電機運行狀態發生變化時，都會對整個系統產生反饋作用。以兩臺電機驅動為例，當兩者的控制量之差超過預設閾值時，控制器同時對其進行補償，極大地提高了系統的控制精度，削減了穩態誤差，其結構如圖3所示。

圖3 雙電機驅動功率平衡控制策略的結構

實現功率平衡的前提是驅動電機工作在同一狀態下。若帶式輸送機為平運帶或者上運帶，電機應該同為電動狀態。如果兩臺電機的電流極性不一致，應將控制發電狀態電機的變頻器頻率增大，將其帶入電動狀態。若帶式輸送機為下運帶，電機應該同為電動或者發電狀態。當兩臺電機的電流極性不一致時，比較兩臺電機的電流絕對值。當電動狀態的電機電流絕對值較大時，說明帶式輸送機相對于電機是負載，需要正牽引力，因此將控制發電狀態電機的變頻器頻率增大，將其帶入電動狀態。當工作在發電狀態下的電機電流絕對值較大時，說明輸送機帶動電機轉動，需要制動力，因此將電動狀態下的電機頻率減小，將其帶入發電狀態，再進行功率平衡控制[6]。

當兩臺電機進入相同的工作狀態時，檢測兩臺電機當前的工作電流、轉速和變頻器的給定轉速。補償器利用電流差值計算出速度補償，對兩個變頻器的給定轉速進行修正，以此作為兩臺變頻器新的給定轉速，控制兩臺電機協調運行。為了防止帶式輸送機打滑，系統依據頻率調整系數進行限幅。當調節增量超出范圍時，將不對變頻器進行給定轉速的調節[7]。

3 雙機功率平衡控制系統仿真

矢量控制的原理是通過對三相異步電動機的控制量進行坐標變換，實現轉矩的解耦控制，從而模擬直流調速的方法對異步電機進行調速。功率平衡控制的仿真實驗是基于帶有電流、轉速、磁鏈閉環控制的矢量控制系統。根據耦合補償的雙電機矢量控制功率平衡策略，利用Matlab/Simulink工具箱搭建控制系統模型進行仿真。仿真模型主要包括三相異步電機的矢量控制系統、差值比較模塊、補償計算模塊和動態負載模塊。

在實際工程中，為實現同步驅動，兩個子驅動系統通常選擇同樣型號的設備以保證參數統一。理論上，驅動滾筒之間的牽引力理想分配比為1。但是由于制造及安裝等方面存在誤差，電機的拖動特性很難完全一致。為模擬實際情況，仿真實驗中采用的電機在參數上取值不同，以驗證控制策略的有效性。

兩臺電機的給定轉速均為1 400r/min，t=0s時電機空載啟動，t=0.3s時啟動完成，轉矩降為零。t=0.5s時，給兩臺電機分別加以50N·m和70N·m的負載，此時功率出現不平衡，電流、轉矩和轉速均出現差值。t=0.9s時功率平衡控制模塊投入使用，兩臺電機逐漸同步，輸出轉矩和電流基本保持一致，輸出功率達到平衡，過程曲線如圖4、5所示。

圖4 矢量變頻雙驅輸出轉矩曲線

圖5 矢量變頻雙驅電流曲線

4 功率平衡控制的實現

帶式輸送機由頭部兩臺變頻電機拖動，電機采用同一型號，變頻器均為ABB公司的ACS510-01-09A4-4，均選擇速度閉環矢量控制模式[8]。頭部柜的S7-300PLC為主站，兩臺變頻器為從站,通過CP342-5模塊建立連接。變頻器進行參數設置后將電流、轉矩及轉速等參數通過Profibus-DP通信方式上傳至S7-300，PLC自動調用其內部的功率平衡模塊，將參數處理后分別下發至兩臺變頻器，從而有效進行調速，實現功率平衡，系統結構如圖6所示。

圖6 雙機變頻驅動功率平衡控制系統結構

現場測試后，帶式輸送機的兩臺驅動變頻器反饋回來的轉矩穩態誤差為0.19%，轉速穩態誤差為0.10%，電流穩態誤差為0.38%，均能夠保持在5%的誤差范圍以內，同步精度較高，且實時性和抗干擾性較強。啟動、停止或者加減速時兩臺電機都可以平穩同步運行，能夠滿足帶式輸送機的功率平衡要求。

5 結束語

針對矢量變頻多驅動帶式輸送機的功率平衡問題，提出了一種基于耦合補償的控制策略。在變頻調速理論分析的基礎上，利用Matlab軟件建立了雙驅動矢量變頻控制系統。仿真結果表明：無論是靜態還是動態，兩臺電機都能夠實現功率平衡。同時，基于真實環境對控制策略進行測試，證明基于耦合補償的控制方法能夠有效提高兩臺電機的同步精度，滿足帶式輸送機系統對功率平衡的要求。

[1] 劉增環，潘明福.基于PLC及變頻器技術的帶式輸送機控制[J].煤礦機械，2011，32(9)：192～193.

[2] 付磊，張兵，董小龍.基于以太網的雙滾筒驅動帶式輸送機監控系統[J].煤礦機械，2013，34(7)：244～246.

[3] 宋偉剛，鄧永勝，郭立新.基于功率跟蹤控制策略的帶式輸送機動態設計方法[J].東北大學學報(自然科學版)，2002，23(9)：899～902.

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[6] 王坤，包繼華，吳艷.變頻在帶式輸送機多點驅動功率平衡的研究[J].煤礦機械，2010，31(6)：66～68.

[7] 張華偉，邱慶華.膠帶機軟啟動及功率平衡系統的設計與仿真[J].中州煤炭，2011,(3)：3～12.

[8] 趙永秀，李忠，趙峻嶺.煤礦雙滾筒驅動帶式輸送機的電動機功率平衡[J].西安科技大學學報，2010,30(6):738～743.