調速控制系統在提升系統中的應用

李 峰

（山西高河能源有限公司， 山西 長治 047100）

引言

提升機作為煤炭生產中發揮運輸煤炭、作業人員以及設備的關鍵設備，其可靠性、安全性和低功耗性為其衡量其性能的關鍵指標。目前，大多數礦井提升機所采用的調速方式為轉子串電阻調速，該方案在實際應用中耗能大且占地面積大[1]。因此，需對提升機的傳統調速方式進行改造，在降低其能耗的基礎上提高其控制精度，進而確保整個提升系統的可靠性。

1 變頻調速理念的發展及原理分析

1.1 變頻調速理念的發展

煤礦提升系統所選用的傳統調速系統以直流調速策略為主。直流調速以其容易控制且調速精度高等優勢一直被廣泛應用于提升系統的速度控制中。但是，由于直流調速策略先天的劣勢包括有結構復雜、環境適應性差以及難以高速化等問題，一直制約著直流調速方式的發展。近年來，隨著電力電子技術和DSP 微處理器的發展，推動了交流變頻調速[2]。

交流變頻調速方式的控制系統主要經歷了電壓/頻率恒定控制、矢量變換控制和直接轉矩控制三個階段。交流變頻調速方式具有調速范圍廣、調速精度高、動態型號好以及節能效果顯著等優勢。

1.2 變頻調速原理分析

在實際應用中，基于交流變頻調速理論所控制的對象有轉矩、速度以及位置等。而且，在實際控制中根據其應用環境不同可以組成不同的閉環系統。變頻調速的基本原理如下：

式中：n0為提升系統三相電動機的轉速；f1為提升系統三相電動機定子繞組的電源頻率；p為提升系統三相電動機電機的極對數。

如式（1）所示，通過控制定子繞組的電源頻率可實現對電機轉速的控制，從而改變與電機減速器輸出軸的轉速，最終實現對提升系統速度的控制。

綜合對比變頻調速系統四種控制方式的優劣性。其中，V/F 控制方式主要應用于對調速精度要求不高的系統；轉差頻率控制主要應用于對響應速度要求不高的系統；直接轉速控制方式其對系統在低速區的控制效果不佳；矢量控制能夠實現對瞬時轉矩的控制，具備參數補償和參數自適應的優勢[3]。因此，將矢量控制方式應用于提升機的變頻調速系統中。變頻器作為變頻調速系統的核心，本文將著重介紹變頻器的選型。

2 變頻器的選擇

變頻器選型時的一個重要依據為其所應用負載的類型和特點。針對提升系統而言，其所承受的負載為重力，屬于恒轉矩負載的類型。對于該類負載類型而言，要求變頻具有較強的低頻轉矩提升能力和短時過流能力。通用變頻器的選型主要參照式（2）：

式中：P為三相異步電動機的功率；T為三相異步電動機的轉矩；n為三相異步電動機的轉速。在對變頻器進行選型時，應將其容量按照其所應用系統電機容量的1.1～1.5 倍進行操作。

2.1 變頻器型號的選擇

目前，可供選擇變頻器的廠家且性價比較高的品牌有：日本安川、三菱、富士以及西門子和丹佛斯等。綜合對比各品牌變頻器的性能，并以其性價比為主要參考指標，最終為提升系統選用變頻器的品牌為西門子。其6SE70 系列變頻器可采用多種控制方式，其中以矢量控制的性能最好。因此，最終選擇為提升系統選擇西門子6SE70 系列的變頻器。

2.2 變頻器容量的選擇

由于提升機在實際應用中存在滿載啟動的工況，還存在空載下放的工況。因此，一般情況下將提升機的平均提升力矩設定為其額定力矩值的1.3～1.6 倍。而對于電動機可為提升系統提供的最大轉矩應為其額定負載轉矩的1.8～2 倍[4]。因此，變頻器的容量計算公式如式（3）所示：

式中：PCN為變頻器的容量；K為安全系數，取K=2；ηM為三相異步電動機的效率；取ηM=0.85；cosφ 為三相異步電動機的功率因數，取cosφ=0.25,；P為提升系統的額定功率。

高河煤礦所采用提升機的額定功率為800 kW，則對應的變頻器的最小容量為5 019 kW。因此，所選用變頻器的具體型號為6SE70-5200。

3 矢量模糊控制器的設計

傳統交流變頻調速系統采用的控制器類型為PID 控制器，該控制器具有結構簡單、穩定性好以及可靠性高等優勢。但是，在實際應用中發現PID 控制器無法解決提升系統在載荷變化大及載荷變化的非線性等問題。因此，還需對其控制策略進行重新設計。

近年來，模糊控制理論被廣泛應用于各個行業，且模糊控制理論具有控制精度高、響應及時以及魯棒性好等優勢。因此，將模糊控制理論與PID 控制器結合起來，即為模糊PID 控制器，且所采用模糊PID控制器中增添了對應的自調整因子，以確保提升系統能夠根據其實時運行狀態及時調整控制器的參數，以保證系統在最佳狀態運行[5]。

基于模糊控制理論以及自調整理論得到了矢量模糊控制器的比例因子為1/25；積分因子為1/10；微分因子為1。

為驗證上述所設計矢量模糊控制器的控制系統，基于MATLAB 軟件對傳統PID 控制器、PI 控制器和矢量模糊控制器的控制性能進行仿真分析，并得到如下仿真結果：

1）傳統PID 控制器和矢量模糊控制器的響應特性均優于PI 控制器，具體表現為在PID 控制器和矢量模糊控制器下的空載穩定所需時間較PI 控制器少2 s；且，矢量模糊控制器相對于傳統PID 控制器具有更快速、穩定的控制效果。

2）基于矢量模糊控制器可確保提升系統從空載到穩定運行狀態的加速過程中無任何的超調量，且穩定時間僅為0.8 s。

3）當提升系統在運行存在擾動時，基于矢量模糊控制器下的提升系統未出現明顯的減速現象；而基于傳統PID 和PI 控制器下的提升系統出現了較為明顯的減速現象。

4 應用效果

為進一步提升提升系統在實際應用中的可靠性、穩定性和節能效果，將基于矢量控制的變頻調速系統應用于高河煤礦提升系統中，并根據提升系統的參數為調速系統選用了西門子公司的6SE70-5200 變頻器和基于模糊控制的矢量控制器。經仿真分析，基于矢量控制下的提升系統具有優良的響應特性、抗干擾特性等優勢，應在實際應用中推廣。