李巖，王林

(1 沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽110168;2 鞍山市權(quán)晟電子電力有限公司，遼寧鞍山114011)

0 引言

某鐵礦廠為增加產(chǎn)量，需提高破碎車間的運(yùn)輸能力，4#皮帶機(jī)被選為首批改造對象，原4#皮帶機(jī)為單驅(qū)，即為一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)減速器，減速箱與主驅(qū)動(dòng)輪采用剛性連接，主驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)皮帶運(yùn)行。改造內(nèi)容為:(1)將原有一臺(tái)250kW 電機(jī)單驅(qū)，改變?yōu)閮膳_(tái)200kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng);(2)雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)減速器，減小速比，由原來的50∶1 變?yōu)?0∶1，提高了最高速度，變?yōu)樵瓉淼?.25 倍速度;(3)兩臺(tái)減速器同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪，皮帶寬度、厚度以及長度沒有變化;系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶載能力為2 100t。

4#皮帶機(jī)改造后的電氣系統(tǒng)采用兩臺(tái)三相異步變頻電機(jī)和兩臺(tái)VACON NXP 變頻器，兩臺(tái)變頻器組成主從控制系統(tǒng)，完成負(fù)載分配和同步控制。變頻器采用高性能的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法控制異步電動(dòng)機(jī)。

1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制模型分析

在三相異步電動(dòng)機(jī)中，存在3 種磁場:定子磁場、氣隙合成磁場、轉(zhuǎn)子磁場。在轉(zhuǎn)子磁場定向控制中以轉(zhuǎn)子磁場定向作為坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)軸，定子電流在定向磁場方向的分量稱為勵(lì)磁電流分量，與定向磁場垂直方向的分量稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。

轉(zhuǎn)子磁場定向控制就是將公共坐標(biāo)系統(tǒng)建立在轉(zhuǎn)子定向磁場上，即P 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈ΨvRPQ重合，Q 軸超前轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?0°電角度。圖1 為轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系統(tǒng)圖。圖中，1vR為電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)下的單位轉(zhuǎn)子矢量，jvR為超前1vR矢量軸90°電角度的單位矢量，即為虛軸單位矢量。1vRP為電機(jī)轉(zhuǎn)子定向磁場P 軸的單位轉(zhuǎn)子矢量。

圖1 轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系統(tǒng)

為了簡化數(shù)學(xué)模型，假設(shè)三相變頻異步電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)中定子三相繞組星型連接，則零軸各種矢量分量為0，不用考慮零軸分量方程。另外三相變頻異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組本身是短路的，轉(zhuǎn)子電壓等于0。推導(dǎo)得到三相變頻異步電機(jī)以轉(zhuǎn)子磁場定向的PQ0 坐標(biāo)系下的方程［1］如下

電機(jī)定子電壓方程

式中，RS—定子一相繞組的等效電阻;ω1=ωPS—轉(zhuǎn)子磁鏈相對于定子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)的角速度，即轉(zhuǎn)子定向磁場的電角速度;p—微分算子。

電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程

式中，RR—轉(zhuǎn)子一相繞組的等效電阻;ωS=ωPR轉(zhuǎn)子磁鏈相對于轉(zhuǎn)子靜止坐標(biāo)系統(tǒng)的角速度，即轉(zhuǎn)差角速度。

式中，Ls—兩相坐標(biāo)系中定子等效兩相繞組的自感;Lm—兩相坐標(biāo)系中定轉(zhuǎn)子等效兩相繞組之間的互感最大值。

式中，Lr—兩相坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感。

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

式中，Pp—電機(jī)的極對數(shù)。

為獲得轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，將定子電壓方程式(1)中的定子磁鏈ΨSP、ΨSQ用定子電流iSP、iSQ轉(zhuǎn)子定向磁鏈ΨRP來表示。由式(3)與式(4)聯(lián)立消除轉(zhuǎn)子電流iRP、iRQ得到定子磁鏈表達(dá)式，然后代入式(1)得到轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系統(tǒng)下的定子電壓方程阻RR有關(guān)。

電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程可表示為

式中，J—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D—電機(jī)轉(zhuǎn)軸的阻尼系數(shù);TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩;ωr—轉(zhuǎn)子電角速度。

3 變頻主從控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

破碎車間4#皮帶機(jī)電控系統(tǒng)改造，采用的三相變頻異步電機(jī)參數(shù):電機(jī)型號:YVF2-315L2-4-200kW;電機(jī)極數(shù):4 極;調(diào)頻范圍:5 ～50Hz 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速;50 ～75Hz 恒功率調(diào)速;額定電流:359A;額定電壓:380V。

變頻器采用VACON 的矢量控制型變頻器:NXC0520 5G2L0SSFA1A200C2D2 變頻器，VACON變頻器具有IEC 61131-3 編程平臺(tái)軟件，在應(yīng)用層軟件對用戶開放，編程語言可以用功能塊圖(FBD)，結(jié)構(gòu)文本(ST)和順序功能圖(SFC)三種語言。在變頻器應(yīng)用層內(nèi)置同步控制算法程序比外置控制器如PLC 等具有運(yùn)算速度快、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，主從控制算法程序就是內(nèi)置到變頻器中。兩臺(tái)變頻器采用主從控制，通過D2 卡采用光纖通信。上位機(jī)PLC 通過RS-485 通信C2 卡完成遠(yuǎn)程控制。變頻器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 變頻器控制系統(tǒng)

4#皮帶機(jī)是雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)三相異步變頻電機(jī)分別經(jīng)過各自的減速機(jī)后驅(qū)動(dòng)同一個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪。帶負(fù)載調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)行單電機(jī)帶載調(diào)試，調(diào)試完成后再進(jìn)行雙機(jī)主從驅(qū)動(dòng)帶載調(diào)試。

單機(jī)帶載調(diào)試前先根據(jù)電機(jī)名牌參數(shù)和控制要求，對變頻器參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置見表1。

表1 變頻器參數(shù)

初始階段單電機(jī)帶載調(diào)試時(shí)，當(dāng)負(fù)載加到710t 時(shí)，啟動(dòng)變頻器就出現(xiàn)過電流報(bào)警。經(jīng)分析得出由于電機(jī)銘牌中沒有給出電機(jī)的額定速度，變頻器采用的是4 極電機(jī)1 440rpm 為額定速度設(shè)定，變頻器默認(rèn)的電機(jī)勵(lì)磁時(shí)間為200ms，此三相異步變頻電機(jī)實(shí)際額定轉(zhuǎn)速為1 470rpm，電機(jī)勵(lì)磁時(shí)間接近500ms，在啟動(dòng)時(shí)磁場沒有及時(shí)建立起來，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)過流報(bào)警。修改變頻器參數(shù)

P2.4.8 DC-Brake Current 300 A

P2.4.11 Start DC-Brake Tm 1.00 s增加1s 的直流啟動(dòng)時(shí)間，先建立起磁場，變頻器再啟動(dòng)，就不再發(fā)生啟動(dòng)過流報(bào)警。

單電機(jī)起動(dòng)，皮帶機(jī)帶負(fù)載740t 時(shí)負(fù)載曲線如圖3 所示。啟動(dòng)時(shí)最大極限電流為402A，加速期間電流為183A，電流平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的50%。

圖3 單電機(jī)740t 負(fù)載啟動(dòng)曲線

單電機(jī)起動(dòng)，皮帶機(jī)帶負(fù)載1 050t 時(shí)負(fù)載曲線如圖4 所示。啟動(dòng)時(shí)最大極限電流為407A，加速期間電流為242A，電流平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的71%。

圖4 單機(jī)1050t 負(fù)載啟動(dòng)曲線

兩臺(tái)電機(jī)分別單電機(jī)帶載調(diào)試通過后，然后進(jìn)行雙機(jī)主從控制帶載調(diào)試。在單機(jī)設(shè)置的參數(shù)基礎(chǔ)上，主從變頻器還需要設(shè)置主從控制參數(shù)，見表2。

表2 主從控制變頻器參數(shù)

變頻器主機(jī)和從機(jī)都采用速度控制方式，主機(jī)的參考速度由上位機(jī)PLC 通過RS485 總線控制給出。從機(jī)的參考速度采用主機(jī)的參考速度，通過D2 卡的光纖通信，由主機(jī)變頻器給出。為了平衡兩臺(tái)電機(jī)的負(fù)載，設(shè)置參數(shù)P2.6.15 Load-Drooping=5.00%。

雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)同步起動(dòng)，皮帶機(jī)帶負(fù)載1 800t時(shí)負(fù)載曲線如圖5。起動(dòng)時(shí)從機(jī)最大極限電流為409A，加速期間電流為196A，電流平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的54%。

圖5 雙機(jī)驅(qū)動(dòng)1800t 負(fù)載啟動(dòng)曲線

雙電機(jī)主從驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)，皮帶機(jī)帶負(fù)載2 110t時(shí)負(fù)載曲線如圖6。啟動(dòng)時(shí)從機(jī)最大極限電流為414A，加速期間電流為217A，電流平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的60%。

圖6 雙機(jī)驅(qū)動(dòng)2110t 負(fù)載啟動(dòng)曲線

經(jīng)過調(diào)試和修改變頻器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單電機(jī)和雙電機(jī)帶載工作。

4 結(jié)語

本文中設(shè)計(jì)的雙電機(jī)主從皮帶機(jī)控制系統(tǒng)，完成了雙機(jī)拖動(dòng)2 100t 物料的設(shè)計(jì)要求，從啟動(dòng)負(fù)載曲線上可以分析得出如下結(jié)論:單機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙機(jī)同步驅(qū)動(dòng)都達(dá)到了皮帶機(jī)負(fù)載設(shè)計(jì)能力，并且電機(jī)還具有一定的帶負(fù)載余量，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求?，F(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行幾個(gè)月，電控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

低壓變頻器技術(shù)已經(jīng)是成熟的技術(shù)，采用低壓交流變頻器控制系統(tǒng)具有性能可靠、故障率低、價(jià)格低廉、操作簡單、方便的特點(diǎn)。此雙機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案可以應(yīng)用到各類皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備中。

［1］ 謝寶昌，任永德. 電機(jī)的DSP 控制技術(shù)及其應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，163-164.

［2］ 馬志云.電機(jī)瞬態(tài)分析［M］.北京:中國電力出版社，1998.5.

［3］ 王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP 控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.1.