煤礦電動機應急調速系統設計

阮文韜

(成都紡織高等專科學校 電氣信息工程學院， 四川 成都 611731)

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煤礦電動機應急調速系統設計

阮文韜

(成都紡織高等專科學校 電氣信息工程學院， 四川 成都 611731)

針對變頻器發生故障時很難在較短時間內恢復正常運行的問題，設計了煤礦電動機應急調速系統。該系統采用應急變頻裝置替代故障的原始變頻器來控制電動機：當原始變頻器發生故障時，PLC主控單元根據電動機和變頻器的故障狀態實時控制應急變頻裝置；當應急變頻裝置的輸出達到電動機的運行條件時，切換裝置立即動作，從而實現應急變頻裝置對電動機轉速的穩定控制。仿真結果表明，該系統在原始變頻器故障的情況下能夠快速接入應急變頻裝置，具有較好的調速性能。

電動機； 應急調速； 應急變頻裝置

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

0 引言

隨著計算機和電力電子技術的迅速發展，采用變頻器控制的電動機調速系統逐漸代替了傳統的電動機調速系統。基于電力電子技術的變頻器調速控制系統具有快速、穩定的特點，在工業應用中得到了普及，成為主流的調速設備[1-4]。但是，變頻器的主電路是由電力電子開關器件組成，當發生故障時很難在較短的時間內恢復正常運行，所以一旦故障就會導致電動機非正常運行，影響煤礦生產系統的正常運行。針對這一問題，本文設計了一種煤礦電動機應急調速系統。該系統由應急變頻裝置、PLC主控單元和切換裝置等組成，PLC主控單元根據電動機和變頻器的故障狀態，采用模糊PID算法實時控制應急變頻裝置的輸出[7-8]，一旦應急變頻裝置的輸出達到電動機運行條件，切換裝置立即動作，從而實現應急變頻裝置對電動機的穩定控制。

1 系統結構及工作原理

煤礦電動機應急調速系統結構如圖1所示，其中應急變頻裝置參數與原始變頻器控制參數相同。PLC主控單元采集并處理電動機和原始變頻器的運行信息，用于判斷是否出現故障，一旦檢測到原始變頻器發生故障，即對切換裝置和應急變頻裝置實施控制。切換裝置根據PLC主控單元的信號，將應急變頻裝置與故障變頻器進行切換。應急變頻裝置在PLC的指令下立即啟動，并根據PLC的輸入信號來控制輸出頻率，從而控制電動機轉速。

煤礦電動機應急調速系統工作原理如圖2所示。若電動機在原始變頻器故障后處于轉動狀態，則切換系統中的鎖相環同步控制器。當鎖相環同步控制器檢測到應急變頻裝置與電動機同頻同相時，將應急變頻裝置與電動機的接觸器閉合，從而實現應急變頻裝置對電動機轉速的穩定控制；若電動機在原始變頻器故障后處于停止狀態，則采用應急變頻裝置重新啟動電動機。

圖1 煤礦電動機應急調速系統結構

圖2 煤礦電動機應急調速系統工作原理

2 系統硬件設計

2.1 應急變頻裝置

應急變頻裝置為交-直-交結構，其電路結構如圖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、直流側濾波器、逆變器。整流器用于將三相交流信號轉換成直流信號，直流側濾波器用于吸收整流側和逆變側的脈動電壓，逆變器則用于將直流信號轉換成交流信號。控制電路由轉速檢測電路、運算電路、驅動電路和保護電路等組成。檢測電路主要用于檢測系統的電壓、頻率等信息。運算電路主要負責處理反饋信號，得到輸出信號的參考值。驅動電路用于控制開關器件的通斷。保護電路用于保護變頻器和電動機。

圖3 應急變頻裝置電路結構

2.2 PLC主控單元

PLC主控單元結構如圖4所示[6]。

圖4 PLC主控單元結構

2.3 切換裝置

用應急變頻裝置替代故障變頻器控制電動機轉速，需采用切換裝置，其電路結構如圖5所示。

圖5 切換裝置電路結構

3 系統軟件設計

要使煤礦電動機應急調速系統快速、穩定地投入運行，應急變頻裝置必須具有較快的啟動速度，以便及時代替原故障變頻器。

3.1 主程序

煤礦電動機應急調速系統主程序流程如圖6所示。當PLC主控單元檢測到原變頻器發生故障時，實時啟動應急變頻裝置。應急變頻裝置導入原變頻器的參數和工作頻率參數，然后將模糊PID子程序導入其控制系統。

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機是否停機，若電動機處于停機狀態，則切換程序重新啟動電動機；若電動機沒有停機，在故障變頻器停止工作后，延時2 s，啟動應急變頻裝置并封鎖其輸出，通過鎖相環同步控制器檢測應急變頻裝置相位和頻率是否與電動機一致，一旦檢測到同頻同相，則切換程序通過控制接觸開關控制電動機繼續工作。

圖6 系統主程序流程

圖7 PLC主控單元切換程序流程

4 仿真驗證

為驗證煤礦電動機應急變頻調速系統的快速響應能力，在Matlab/Simulink環境下建立系統模型，如圖8所示。具體參數如下：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，轉子電感Lr=19 mH，轉子電阻Rr=0.026 Ω，轉動慣量J=2.56 kg·m2，直流電壓Udc=900 V，電磁常數T=0.016。

原變頻器在0.5 s時發生故障情況下的電動機輸出電流i和轉速n曲線如圖9所示。從圖9可看出，原變頻器故障前，電動機的電流和轉速都處于穩定運行狀態；發生故障時，電動機電流降為0，轉速也逐漸下降 ，直至電動機處于停機狀態。

圖8 Matlab/Simulink仿真模型

圖9 原變頻器故障情況下的電動機輸出電流和轉速曲線

以圖9所示的電動機停機狀態為例，在該狀態下投入應急變頻裝置后的電動機輸出電流和轉速曲線如圖10所示。從圖10可看出，應急變頻裝置開始時處于封鎖狀態，電動機處于停機狀態，輸出電流為0；0.5 s時開始啟動電動機并接入應急變頻裝置，電動機轉速緩慢上升，直至達到額定轉速；電動機輸出電流由開始較大的啟動電流過渡到穩定運行狀態下的電流，說明煤礦電動機應急變頻調速系統具有快速響應能力。

圖10 投入應急變頻裝置后的電動機輸出電流和轉速曲線

5 結語

介紹了一種煤礦電動機應急調速系統的整體設計，在Matlab/Simulink平臺對系統可行性進行了驗證。仿真結果表明，該系統在原始變頻器故障的情況下，能夠快速接入應急變頻裝置，具有較好的調速性能。

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[2] 王贊,王紅平.基于MATLAB/Simulink的交流電機建模與仿真[J].機械工程師,2015(2):25-26.

[3] 韋漢培,王超,張懿,等.基于DSP的永磁無刷直流電動機變頻調速控制系統[J].變頻器世界,2015(6):46-48.

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[8] 楊璐,雷菊陽.基于MATLAB的參數自整定模糊PID控制器的兩種設計方法[J].計算機測量與控制,2015,23(4):1212-1214.

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.煤礦電動機應急調速系統設計[J].工礦自動化，2016,42(11)：55-58.

2016-06-06；

2016-09-26；責任編輯：胡嫻。

四川省教育廳重點項目(13ZA0100)。

阮文韜(1982-)，女，四川樂山人,講師，碩士，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置，E-mail:928472178@qq.com。

TD614

A

時間：2016-10-28 16:28

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