基于矢量控制的矿井提升机起动下坠现象的研究

基于矢量控制的矿井提升机起动下坠现象的研究周松林朱云国摘要:在分析矿井提升机矢量控制的原理和数学模型的基础上,提出了提升机产生下坠现象的原因及危害。通过sabeｒ软件仿真，得出了影响提升机下坠的因素,并提出了相应的解决方案，即采用复合控制策略。仿真结果表明,此方案可减轻乃至消除提升机下坠现象。关键词：矿井提升机；矢量控制;下坠现象；复合控制；计算机仿真ＲeseaｒchoｎSuｄｄeｎfａｌｌｉngPhenomenonｏfMineHｏiｓtｅｒunderIndｕｃtiｏnMｏtoｒvectoｒcｏntrolZｈouＳｏng－lin，Zhuｙun-ｇuo（TongLingＣollｅge,AnhuiToｎgliｎｇ２44000，Ｃhinａ）Abstrａct：Ｔｈeorigｉnanｄharｍｏfmiｎehｏisteｒ’ｓsuddenfalｌiｎgpｈenomｅｎoｎｗerepｒｏposedｂａｓedontｈeaｎalysｅｏｆvectｏrconｔrｏｌ'stheｏｒyaｎｄmａtheｍａticsmodel.FａctｏrswhichaffecｔsｕｄdenfalｌingｐhｅｎomeｎｏｎweregoｔｂｙsofｔｗaresｉmuｌａｔionｗｉthSABEＲ。Inordeｒtｏoveｒcｏｍｅｔhｅｓuddｅnfａllｉngpｈenomｅnoｎ，someｃoｕｎｔｅrmeasｕrｅsｗｅｒeputfｏrwａrd。Theｒesultｏfcoｍｐuｔｅrsｉｍｕｌａtｉonshｏwsｔhattｈｉsscｈemewilｌgrｅａtｌyleｓsenａｎdｅｖenelｉmｉｎaｔeｍiｎｅｈoistｅｒ'ssｕddｅnfallｉｎgphｅnomenonKeｙｗords:mｉnehoisteｒ;vecｔorcoｎtrｏl;suｄｄenｆaｌliｎｇphenomenoｎ；ｃｏmｐｏｕｎdｃonｔｒｏl;ｃｏmpｕｔeｒsimulａtｉon0引言在矿山应用的电力拖动方案有交流电动机转子串电阻调速、晶闸管供电的直流电动机调速、晶闸管交-交变频同步电动机矢量控制方案。高性能交-直—交变频调速的控制方法有两种［1］［２]：矢量控制和直接转矩控制。两者都采用转矩、转速和磁链分别控制，但在控制性能上各有千秋.矢量控制系统强调电磁转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器，实行连续控制，可获得较宽的调速范围，但转子磁场定向受电动机转子参数变化的影响。直接转矩控制系统则直接实现转矩与定子磁链的砰－砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构,但不可避免地产生转矩脉动,低速性能较差,调速范围受到限制。根据提升机的工艺特点，要求低速爬行且转速稳定，因此对于提升机可采用交流异步机矢量控制方案［3］。对于矿井提升机,负载性质是位能负载，在提升重物时，若在发出速度给定信号的同时又马上松开机械闸,相当于突加负载，会出现提升机下坠现象。下坠现象严重时会导致监视电路动作而实施紧急抱闸停车,从而影响提升机的安全运行。目前解决下坠现象的方法是在发速度给定信号的同时逐渐松闸，虽有一定效果但不能完全解决这个问题。本文在分析矢量控制原理的基础上，讨论了影响矿井提升机下坠的因素,提出了几种解决方案，并通过仿真验证了其可行性。1异步电动机矢量控制系统结构矢量控制在以产生等效的旋转磁场的原则下,通过从静止坐标系到旋转坐标系的变换，把感应电机的定子电流分解为以转子磁场定向的定子磁场电流分量和与之正交的定子转矩电流分量,对两分量进行分别控制,这样以转子磁场定向的矢量控制系统可以像直流电动机一样实现异步电动机磁场的解耦控制。。图１转速磁链闭环矢量控制系统结构系统结构如图1,系统控制模块采用转速磁链双闭环控制，主电路模块采用SＰWＭ逆变器为三相异步电动机供电.转速给定值和经测速发电机检测到的实际转速反馈信号比较后通过转速调节器ＡSＲ（PＩ）调节后得到电磁转矩给定值，进而计算出Ｔ轴电流分量的给定值;转子磁链给定值与检测到的转子磁链实际值比较后经磁链调节器（ＰI)调节后得到M轴电流分量的给定值。和经过ＶＲ-1变换和２/3变换后得到三相静止坐标系下的相电流、、，再与电流实际值比较经SPＷＭ控制产生异步电动机所需的三相交流电压。（ａ）(ｂ)图2电流内环动态结构图图２为系统电流内环动态结构图,Toi为滤波时间常数，为电流反馈系数,为ACＲ的输出电压，为逆变器输出的定子电压，ＰWM调制变换器近似为放大环节，其放大倍数是。由电动机定子电压到定子电流的传递函数近似为一惯性环节,Z为异步电动机等效电路回路阻抗，TL为等效电路回路时间常数.ACＲ选PI调节器，按典型型系统设计ＡＣR,为抵消大惯性环节，取,取典型参数，可得.校正后的电流环传递函数为。图３磁链环动态结构图图4转速环动态结构图磁链环和转速环动态结构分别如图3、４所示.磁链调节器的设计方法与电流调节器的设计方法相同。AＳR选PI调节器，按典型＝２\＊RＯMANＩＩ型系统设计,设,取中频宽ｈ＝５,则,系统开环放大倍数，且，故可得2提升机起动下坠现象的分析与仿真根据矢量控制系统的转速环动态结构可知，在磁链恒定的条件下,电磁转矩T与电动机定子电流的iｔ分量成正比，因此ｉt与Ｔe的波形相同。对于提升机的位势负载性质,当同时实施送电和松闸操作时,由于it的建立需要时间，当Te达不到TL时，位势负载将会使电机倒转,即产生所谓的下坠。倒转的速度和时间取决于it建立所需的时间及负载的大小，ｉt建立的时间又取决于速度调节器的参数、电流环的动态响应时间.反馈控制系统靠偏差进行调节，存在动态偏差不可避免。所以,提升机下坠现象也是必然存在的,但采取一定的措施可以减轻或消除下坠现象。现以某异步电动机在矢量控制下拖动矿井提升机工作为例，利用sａbｅｒ仿真软件对影响提升机下坠的因素进行仿真。某异步电动机的参数如下：,,，，，,，,，,,,，回路阻抗,拖动系统转动惯量为5２０0N。m2。按调节器工程设计方法,可得电流调节器参数：,,，。磁链调节器参数：,。转速调节器参数：，，，,.2。1不加给定时扰动量与（ｔ）关系曲线图5不加给定n（t)的过渡曲线曲线1、2、3依次表示装载量为６0％、80%、10０％额定负载。可见下坠现象与负载扰动量有关,装载量越大下坠现象就越严重.2.２给定速度信号和扰动同时作用时转速（ｔ）的曲线2．2,图６给定速度信号为斜坡给定时n（t)的过渡过程曲线图中曲线1、2、3为负载扰动量和给定斜坡信号同时作用时的转速曲线(扰动量依次为１00%、８0%、6０％额定负载）2.2。2当给定速度信号为S，图7给定速度信号为Ｓ给定时n(ｔ)的过渡过程曲线图中曲线1为无扰动量TL时,给定速度信号为S形信号时的转速曲线,曲线2、３、4分别为扰动量与S形给定信号同时作用时的转速曲线(扰动量依次为60%、8０%、10０%额定负载）。比较图６和图７可知，下坠现象与速度给定信号有关，S信号给定比斜坡信号给定产生的下坠现象严重。3消除下坠现象的方案根据控制理论，在反馈控制系统中增加一附加的前馈校正环节即为复合控制或前馈控制可以提高系统的精度和稳定性[４］。对于本文矢量控制的矿井提升机系统可以采用复合控制的方法来改善系统的性能，减少乃至消除下坠现象。具体有两种方法，增加前馈给定环节和增加静力矩予置环节。图8是复合控制系统的动态结构。图8矿井提升机复合控制系统的动态结构W１（S）为给定前馈控制环节,Ｗ２（Ｓ）为扰动前馈控制环节。根据复合控制原理，要消除系统的跟随误差，应有,即前馈装置的传递函数为：,因为很小，所以近似为一微分环节。静力矩予置环节是对扰动输入量（即负载转矩)的前馈控制，对应于静阻力矩电流的开环给定值是由扰动环节的输入量TL根据装载站的称重装置计算得到的。当装载量为额定负载时，给定的ＴL应为相应的转矩。若称重装置准确，应没有下坠现象,若称重不够准确,则仍有下坠现象,但下坠现象很弱。根据复合控制原理，要实现误差为零,称重装置的传递函数应满足,即，因为很小，所以，近似为比例环节。通过仿真可以说明复合控制对矿井提升机下坠现象的改善效果。图９给定速度信号为Ｓ给定时,增加前馈给定环节后ｎ(t）的过渡过程曲线图9中曲线1为增加前馈给定环节后的过渡过程曲线,曲线２为不加前馈给定环节的过渡过程曲线，这表明增加前馈给定环节后下坠现象有所减轻.图１０给定速度信号为S给定时增加静力矩予置环节后n（t）的过渡过程曲线图10中曲线１为称重准确时的转速曲线，曲线2为称重为实际静力矩的６０％转速曲线，曲线3为称重为实际静力矩的40％时的转速曲线(装载量为额定负载）。曲线1可知，增加静力矩予置环节后消除了下坠现象,曲线2、3表明即使称重不够准确，下坠现象也比较轻微.图11给定速度信号为S给定时同时增加前馈给定环节和静力矩予置环节后n（t）的过渡过程曲线图1１中曲线１表示同时加前馈和静力矩予置环节，曲线２表示单独加静力矩予置环节，曲线3表示单独加前馈，曲线4表示不加前馈和静力矩予置环节。通过比较发现同时增加前馈给定环节和静力矩予置环节后,下坠现象得到更好的改善。４结论提升机在松闸起车时会出现下坠现象，这是由负载性质及控制系统结构所决定.下坠现象与装载量的大小和速度给定信号有关。装载量越大，下坠现象越严重；下坠现象与速度给定信号有关，S形信号给定比斜坡信号给定产生的下坠现象严重。本文通过仿真说明采用复合控制可大大减轻乃至消除提升机下坠现象。参考文献[1]王君艳.交流调速［M]。北京:高等教育出版社,200３，100—113［２]陈伯时。电力拖动自动控制系统[Ｍ].北京:机械工业出版社，199２.[３]王晓晨,孙凤香。采用异步机矢量控制的矿井提升机开机特性的分析及改进［J］.煤炭学报，２00７，３［4］王晓晨杨公