（电气工程专业论文）变频器在煤矿提升机中的应用及研究.pdf

山东大学硕士学位论文 p i d 控制可以明显地改善控制系统的动态性能； 3 ) 、本文使用的模糊参数自适应p i d 方法控制效果好、易于实现，便于工程 应用，与常规p i d 控制相比，不仅对被控参数变化适应能力强，而且在对象模型 结构发生较大改变的情况下也能获得较好的控制效果。 所以，如果能将模糊自适应p i d 控制应用于实际的变频器控制当中对于提 高变频器的性能是非常有效的。 另外本文还重点介绍了对矿用提升机系统中的改进，其中包括对测速故障保 护的设计，触摸屏进一步人性化设计并取得了很好的效果。 关键词：提升机；变频器；模糊自适应p i d ；测速故障；触摸屏 l i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 汕t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，m o t o rc o n t r o la l s o g o t a l l u n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t ，t ot h eo r i g i n a ld cm o t o rc o n t r o la st h em a i nt a r g e t so f t h ee r ah a v eb e e nr e p l a c e db y t h e na cm o t o ri n s t e a do fd c m o t o r , a cm o t o rh a s m a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t hd cm o t o r ：l o wc o s t ，s t r o n go v e r l o a dc a p a c i t y , s i m p l eo p e r a t i o n ，e a s y t oc o n t r o l ，a n ds oo n b u ta cm o t o rh a sa no b v i o u s s h o r t c o m i n gt h a ti sn o te a s yt og o v e r n o rs p e e d t h er e s e a r c h e rh a st a k e nal o n gp e r i o d t os o l v et h i sp r o b l e m f i n a l l yt h e yf o u n dag o o ds o l u t i o n ，w h i c hi sf r e q u e n c yc o n t r 0 1 t h e nc o n v e r t e rh a sb e c o m eam o r ec e n t r a lp a r ti na cm o t o rc o n t r o l ，b e c a u s ei tw i l l h a v ead i r e c tr e l a t i o nw i mt h ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c e s ow h a tl 【i n do fc o n t r o l p r o g r a md e s i g nc o n v e r t e rb e c o m e sa s y n c h r o n o u sm o t o rs p e e dd e s i g n sv e r yi m p o r t a n t i s s u e s oh o wt oc h o o s et h ec o n t r o ls c h e m eo fc o n v e r t e rh a sb e c a m ea v e r yi m p o r t a n t p r o b l e mi nt h ed e s i g no fs p e e dg o v e r n i n gs y s t e m i nt h e19 7 0 s ，t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct r a n s i s t o r s l a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft h ev v v ft e c h n o l o g y w i t ht h e r e a l i z a t i o no fv a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o no fv e c t o r c o n t r o l t e c h n o l o g y , a n dm o d e mc o n t r o lt h e o r yo fc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，t h e g o v e r n o r m a k e sa s y n c h r o n o u sm o t o rp e r f o r m a n c eo fa n u n p r e c e d e n t e di m p r o v e m e n t i n a d d i t i o n , t h er a p i dp r o g r e s so fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s g r e a t l ys i m p l i f i e st h ei m p l e m e n t a t i o no fs p w ma n dv e c t o rc o n t r o lm e t h o d s ，a n da l s o s t r e n g t h e n sa n de x p a n d st h ef u n c t i o n so ft h ec o n v e r t e rs ot h a tt h ew v ft e c h n o l o g y h a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t a n ds o m em o r ea d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h mi sa l s oi nt h e u n c e a s i n gd e v e l o p m e n ta n do p t i m i z a t i o n n o wf u z z yc o n t r o lt h e o r yh a sb e e na p p l i e d o nm a n yo c c a s i o n s ，a n db ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yd e v e l o p e r s f u z z y a d a p t i v ep i da l g o r i t h mi sar e l a t i v e l yc o m p r e h e n s i v ea l g o r i t h m f u z z ya d a p t i v ep i d h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s h o r t e ra c c o m m o d a t i o n t i m ea n dn oo v e r s h o o ti nt h ec o n t r o ls y s t e m c u r r e n t l y , f e wc o n v e r t e r sa d o p tf u z z y a d a p t i v ep i da l g o r i t h m ，b u tf r o mt h ev a n t a g ep o i n t ，岫a d a p t i v ep i da l g o r i t h m i i i 山东大学硕士学位论文 m u s tb ea p p l i e dt om o r ea n dm o r ec o n t r o lo ft h ec o n v e r t e l i nt h i sp a p e r , b a s e do ne x i s t i n gm i n i n ge q u i p m e n tt ot h ew h o l em i n eh o i s ts y s t e m f o ra l li n - d e p t hs t u d ya n di m p r o v e m e n t f o c u so nt h ed e s i g no ft h ei n v e r t e r ，t h r o u g h t h eu s eo ff u z z ya d a p t i v ep i da l g o r i t h mt oc o n t r o lt h e 丘e q u e n c yc o n v e r t e r , a n dw e r e u s e df u z z ya d a p t i v ep i da l g o r i t h ma n dt h eg e n e r a lp i da l g o r i t h mf o rt h es i m u l a t i o n i n v e r t e rs y s t e m ，r e s u l t ss h o wt h a tu s i n ga d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m sh a v e o b v i o u sa d v a n t a g e s b e n e f i t sa r ea sf o l l o w s ： ( i ) a d a p t i v ef u z z yp a r a m e t e r sp i dc o n t r o lt h a nc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lh a sa g o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s u c ha sr i s et i m e ，s h o r t e rt h a nt h er e g u l a t i o nt i m e ，b u tn o o v e r s h o o t ； ( 2 ) i nt h ec o u r s eo fs i m u l a t i o n , w h e nt h ep a r a m e t e r sh a v ec h a n g e d ，t h ef u z z y p a r a m e t e r sa d a p t i v ep i dc o n t r o lt h a n c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v et h ec o n t r o ls y s t e mo fd y n a m i cp e r f o r m a n c e ； ( 3 ) i nt h i sp a p e r , t h eu s eo ft h ef u z z yp a r a m e t e r sa d a p t i v ep i dc o n t r o lm e t h o d e f f e c t i v e ，e a s yt oi m p l e m e n t ，e a s ya p p l i c a t i o n ，c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp i d c o n t r o l ，n o to n l yo nt h ep a r a m e t e r sc h a r g e d 丽t l las t r o n ga b i l i t yt oa d a p tt oc h a n g e ， b u ta l s oi nl a r g e ro b j e c tm o d e ls t r u c t u r ea l s oc h a n g e dc i r c u m s t a n c e st oo b t a i nb e t t e r c o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，i ft h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o lc a nb eu s e di na c t u a lc o n t r o l ，i tw i l l b ev e r ye f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e r t e l a n o t h e rp a p e ra l s oh i g h l i g h t st h em i n eh o i s ts y s t e mo fi m p r o v e m e n t s ，i n c l u d i n g t h ef a i l u r et op r o t e c tt h eg u nd e s i g n ，f u r t h e rh u m a nt o u c hs c r e e nd e s i g na n dh a v e o b t a i n e dv e r yg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：h o i s t ；c o n v e r t e r ；f u z z ya d a p t i v ep i d ；g u nf a u l t ；t o u c h s c r e e n w 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盎必 日 期：逊：呈丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盗啦导师签名：丑型兰 e l期：星受生v 山东大学硕士学位论文 1 1 矿井提升机系统的概述 第1 章绪论 矿井提升机是矿山大型固定设备之一，是井下与地面的主要运输工具。矿井 提升祝主要担负一个矿井所有的矿物( 煤，矿石) 提升，升降人员，运输设备， 下放材料等，根据提升机的工作种类或工作原理的不同，提升机有不同的分类： 提升机按工作种类可分为： 1 ) 主并提升机：担负矿井生产矿物提升的主提升机。 2 ) 副并提升枫：担负矿井入员、材料、设备等舞降任务的提秀机。 按驱动方式可分为： 1 ) 直流提升机； 2 ) 交流提升机； 直流提升视又分为： 1 ) 发电机组控制提升机； 2 ) 晶阑管调速提升机； 交流提升机分为： 王 t d k 系列串电阻柜调速提舞机； 2 ) 串极调速提升机； 3 ) 变极调速提升机； 4 ) 变频调速提升机； 各类提舞祝的工作原理和构造虽然差别很大，但它们都有一些共同的不可缺 少的部分组成，如图1 1 所示： 山东大学硕士学位论文 图1 1 提升机组成框图 动力装置：主电机； 传动系统：减速机、联轴器、滚筒、导向轮等； 制动系统装置：制动器和液压传动装置 润滑冷却系统：润滑泵站及管路、 悬挂装置：提升容器( 箕斗或罐笼) 、钢丝绳，联轴器等； 电源系统：主变压器、高压装置、低压装置等； 控制系统：操作台、行程监控器、继电器柜、传动柜； 保护系统：提供矿井提升机完善后备保护的系统 以上是关于矿用提升机的作用、类型和结构做了以下简单的介绍，接下来将 简单的介绍一下矿用提升机的发展情况。 目前国内矿用提升机一般都还是采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制 系统。提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实 现恒减速控制，经常会造成过卷和过放事故，提升机频繁的启动和制动工作过程 会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，转子串电阻调速控制电路复杂，接触 器，电阻器，线绕电机电刷等容易损坏，影响生产效益。 随着最近几年电力电子和现代控制技术的发展，交流电机越来越多的被应用 到现在工业当中，大有取代直流电机的趋势。变频调速系统应运而生，并逐渐成 为现代工业的宠儿。现在国内有些煤矿已经开始应用变频技术来控制提升机并取 得了很好的效果。随着现代数字电子的发展计算机控制已经成为一种很成熟的控 制技术它以它的节能和使用方便等诸多优点成为了一种主流控制方式。于是以数 字技术为基础的变频调速也必将成为交流电机调速的一种趋势【l 】。 2 山东大学硕士学位论文 现在我国也融经开始进行了数控化的开发研制，并逐渐应用到了提升机里 面。国内如大中专院校、企业院所正在傲数字化提升机电控系统的集成开发尝试。 考虑当今数控技术的发展，紧密结合提升机控制工艺的要求，我们认为当今先进 的数字化提升机廒具有以下特点： 在驱动控制上，矿井提升机与直流拖动与交流拖动相比，调速性能好，不需 要附加其他拖动装置，随着驱动控制产品的成熟，完全能够实现全数字化控制， 大大提高了系统的可靠性与控制精度。 在整个系统的配置上，应采用现在比较成熟的网络化设计，增加系统的可靠 性，减少? 现场的工作量，减低的系统的整体成本。 1 。2 矿用高压变频器的发震 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技 术革命。交流调速取代妻流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。 交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改 善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高频率，高功率因数，以及优异的调 速耪窟铡动性能等诸多优点面被国内外认为最有前途的调速方式。 以翦的高压变频器，壹可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐 波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现 状，如i g b t 、i g c t 、s g c t 等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实 现p 嬲逆变，甚至是p w m 整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提离。 。2 。 国产高压变频器的发展现状嘲 目前，在国内有大量的低压交频器厂商，其大部分炎a c 3 8 0 v 的中小功率产 品，而在高压大功率变频器方面，却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的 高压变频器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。 国内仅有少部分的中、高压电机进行了变频调速改造，且普通采用v f 控制 方式。高压交频器的品种和性麓还处于发展阶段，每年市场仍需大量进嚣。这些 状况主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。 3 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有研发能力和产业化规模的企业少。 ( 3 ) 国产高压变频器的功率等级较低，目前不超过3 5 0 0 k w 。 ( 4 ) 国内高压变频器的技术标准还有待规范。 ( 5 ) 与高压变频器相配套的产业很不发达。 ( 6 ) 生产工艺落后，面前满足变频器产品的技术要求，但价格低廉。 ( 7 ) 变频器中使用的功率半导体，驱动电路，电解电容等关键部件完全依赖 进口。 ( 8 ) 与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民 经济中。 ( 9 ) 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。 ( 1 0 ) 能够进行四象限运行的高压变频器尚在研究与开发中。 1 2 2 国外高压变频器的发展现状 国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实 现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品 牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存 在。其现阶段发展情况主要表现如下： ( 1 ) 技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。 ( 2 ) 能够提供特大规模的变频器，目前已经超过1 0 0 0 0 k w 。 ( 3 ) 变频调速产品的技术标准比较完备。 ( 4 ) 与变频器相关的配套产业初具规模。 ( 5 ) 能够生产变频器中的功率器件，如i g b t 、i g c t 、s g c t 等。 ( 6 ) 高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。 ( 7 ) 产品国际化，当地化加剧。 ( 8 ) 新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用与产品中。目前 4 山东大学硕士学位论文 |i i i i ii i i i i i i i i i i 没有i o k v 产品。 。2 3 高压变频器的未来发展态势 交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能 的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成 功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的 软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主 要表现为： ( 1 ) 高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。 ( 2 ) 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加( 器件串联和单元串联) 两个方向发展。 ( 3 ) 更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。 ( 4 ) 现阶段，i g b t 、i g c t 、s g c t 仍将扮演着主要的角色，s c r 、g t o 将会退 出变频器市场。 ( 5 ) 无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将 趋于成熟。 ( 6 ) 全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障 宣诊断技术。 ( 7 ) 应用3 2 位m c u 、d s p 及a s i c 等器件，实现变频器的高精度，多功能。 ( 8 ) 相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加甓显。 1 3 本文的主要工作 1 ，3 1 本文的研究内容 本论文首先介绍了矿用提升机的应用和发展前景，然后介绍了矢量控制的基 本原理，对比了两种转子磁场定向控制的有缺点。重点阐述了变频器模糊p i d 矢 量控制的原理及其构造，并且以现有矿用提升机系统为依据改进了提升机控制技 5 山东大学硕士学位论文 术。重点介绍了自适应模糊p i d 算法的原理与在变频器控制系统中的应用，本文 对常规p i d 和自适应模糊p i d 控制进行了仿真并比较其优缺点。 1 3 2 本文的结构安排 第一章本章主要介绍了矿用提升机在我国的发展现状，以及国内外高压变频 器的发展及在矿用提升机当中的应用，并对变频器的发展进行了展望。 第二章首先对各种控制方案进行了比较，并在此基础上选择了异步变频调速 系统作为提升机的传动系统，采用触摸屏方式的上位机控制，电动系统和拖动系 统采用p l c 控制方案。 第三章首先介绍了矢量控制的基本原理，然后介绍了异步电动机的数学模 型、变频器的原理和控制算法及其变频器的选型。本章重点介绍模糊自适应p i d 控制算法的理论和实现，并对其进行了仿真对比证明了模糊自适应p i d 控制算法 的优点。 第四章介绍了系统当中各种设备元件的选型，并对整个控制系统进行了具体 的设计，包括监控系统、保护系统的设计以及p l c 系统的软硬件设计。 第五章首先给出了提升机系统的工作原理图，对整个系统的启动、运行及停 车作了具体的系统描述。 第六章为设计工作总结。 6 山东大学硕士学位论文 第2 章矿用提升机电控方案选择 实现工业自动化控制可以用多种方式来实现，总体方案设计中选择何种控制 系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。 本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和拖动系统的选型，其中监控系 统选型又包括操作站系统的选型和主控制系统的选型。 2 1 监控系统选型比较 提升机的监控系统主要由上位机和主控系统组成，来完成现场的信号、数据 的采集及实时显示、监控和保护任务。 2 1 1 上位机的选型比较 上位机是控制系统人机界面和监视控制装置，它主要完成监督控制、最佳控 制及集中监视、操作和处理。对所监视的系统范围内可能出现的紧急情况做出相 应，实现对被监控系统的最佳运行。它具有系统协调、报表制作、画面显示、画 面拷贝、历史数据存储和检索及自诊断等一系列功能。上位机既可以由工业控制 计算机实现也可以由触摸式显示屏实现，但二者在性能上存在差异： 1 触摸式显示屏它是目前国际上较先进的一种集控制与显示与一体的专 用计算机产品，被成为可编程序控制器的脸面，并可以用于设置参数显示数据， 以动画的形式描绘自动化控制过程等。在矿井提升系统中可以用棒图显示提升容 器在井筒中的高度，动态显示全程的提升速度的曲线度，故障实现自登录，自诊 断以及声光报警等。 2 工业控制计算机工业控制计算也是工业现场常采用的一种监控设备，与 触摸式显示屏比较它在操作的方便性略差，在数据或画面调出时触摸式显示屏可 以直接用手点击相应画面即可，而工控机需采用相应的指令。 综合考虑到提升机的应用要求和控制上的方便性此次上位机我们选择采用 触摸式显示屏。 7 山东大学硕士学位论文 ! i i i i l i , ii i , , 1 1 1 11 1 i i i i i i i i 鼍繁 2 。2 主控系统的选型比较 矿井提升机主控系统是矿井提升机电控系统的核心，它综合信号系统、深度 指示系统、传动系统、上位机系统及其它设备的各种信号、数据，对提升机及相 关设备的工作状况进行实时监控，控制罐笼的启动、减速、停车，保障罐笼在运 行过程中的安全。对本系统来讲，主控系统既可以改造为用微型计算机进行控铡， 也可以改造为用p l c 进行控制。下面将对二者的性麓进行毙较： 1 应用范围：微型计算机系统一般用于科学计算、数据处理及计算机通信 等方面。而p l c 主要用于工业控制。 2 使用环境：微型计算机对环境要求比较高，一般要求在干扰小并具有一 定温度和湿度要求的机房内使用。而p l c 适应工程现场的环境。 3 程序设计：微型计算机系统具有丰富的程序设计语言，要求使用者具有 一定水平的计算机程序编制能力和接口技术。p l c 可以把非常篱单的编程语言提 供给用户使用，编程语句数量少、逻辑简单，有的p l c 还提供算术运算指令，步 进指令等，易于学习和掌握。 4 系统功能：微型计算机系统一般配有较强的操作系统进行设备管理、文 件管理、存储管理。p l c 只有简单的监控程序，能完成赦障检查、用户程序输入 和修改用户程序的执行等功能。 由以上分析可见，p l c 是工业控制的专用机具有可靠性高、编程简单、控制 系统设计调试周期短，但输入输出响应速度慢的特点，而微型计算机是通用计 算机，可靠性相比p l c 而言稍差，编程复杂且控制系统设计调试周期长，但响应 速度快。 2 。2 拖动控制系统选型比较 2 。2 1 交流传动系统黼 交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统，一般地说，交 流传动比较简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小，但电气调速性能差，减 速和爬行阶段需要附加拖动装置。 董串级调速在绕线转予异步电动机转子通路中引入努加电动势，以改变 山东大学硕士学位论文 曼皇! 曼曼舅黑黑愚曼曼曼曼曼曼i i i ii i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i iiiiiiii。iiiiiiiii_lind一一一iiiiiiiiillll n 皇曼舅 电动机运行转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同，异步串级拖 动可分为蛊流电机串级、离子串级以及可控硅直流睾级。基前广泛采雳的是蘑者， 该拖动方式具有效率较高，调速平滑，爬行段不需附加其它设备和控制性能好等 特点。它的缺点是功率因数低、颠覆力矩降低约1 7 ，线路较复杂，投资较高等。 2 。变频调速大型提舞机采用交频调速取代传统的直流传动是近年来的发 展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限，设计制造及维护困 难和电动机体积庞大等问题。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化 的特性，通过改变异步电动机的频率进行调速的方法，它有以下显著的优点： 1 ) 输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。 2 ) 功率因数高，利用效率高，节能效果显著。 ( 1 ) 有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。 ( 2 ) 稳压性能好。如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下 运行，从而避免了因电压高( 低) 对电机所造成的危害。 ( 3 ) 在电动机昭负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动祝的 输出功率。 3 ) 对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。 4 ) 可调范围( 频率可在o h z , 4 0 0 h z 之闻进行调节) 宽，可以实现大范隰调 速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。适用于各种 压力、温度、速度、流量的控制。 辩启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳遗 加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机 及整套机组的使用寿命。 除此之井，更兼其体积小、重量轻、遥用性强的特点，因此，变频调速技术 越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水 平，从而可以实现增产节能的目的。 2 2 2 赢流传动系统 圭。直流发电机一嗽动机传动方式控制直流发电机的励磁实现电动机变电枢 电压调速，均匀地调节励磁电流和极性，可方便地实现转速无级调速和四象限运 9 山东大学硕士学位论文 行。其缺点是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。 2 晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种 可实现四象限运行、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。在该 系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调节系统。可 逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。 2 3 提升机电控系统选型 在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下，综合考虑上述各种方案的优缺 点，本系统各模块的选型方案如下： 上位机系统：采用触摸式显示屏，以模拟画面形式显示出绞车运行的各种状 态、各种参数及各种控制元件工作状况。 主控制系统：采用完全独立的两套p l c 系统进行过程实时监控实现安全回路 的双线制。 拖动控制系统：采用三相交流异步电动变频调速系统，以实现节能、稳定运 行。 在本系统中触摸屏、p l c 、变频器三者之间通过r s 4 8 5 通信电缆进行连接通 信。p l c 根据内部指令控制变频器的运行，p l c 及变频器的参数通过触摸屏进行 设置，且二者的运行状况返回触摸屏进行实时显示。 2 4 本章小结 本章通过对各种控制方案进行了比较，最终选择了异步变频调速系统作为提 升机的传动系统，采用触摸屏方式的上位机控制，电动系统和拖动系统采用p l c 控制方案。 l o 山东大学硕士学位论文 第3 章变频器控制的研究及变频器的选型 3 1 矢量控制的基本原理 上世纪7 0 年代，德国的b l a s c h k e 、h a s s e 和l e o n h a r d 等人提凄了感应电机 的矢量控制技术。这种控制技术可以实现感应电机产生转矩的电流分量和产生磁 通的电流分量之间的解耦控制，使感应电机获得与它励直流电机一致的瞬态响应 特性，实现对负载撬动和参数值变佬的快速嚷应。 间接性转子矢量控制系统的结构简单，而且动态性能基本上可以达到直流双 闭环控制系统的水平，是目前应用最广泛、最成熟的一种高 生能矢量控制方案。 接下来将要介绍一下矢量控制的基本原理。 3 1 1 异步电动机的数学模型3 1 刀溯 异步电动机是一个多变量、高阶、强耦合的非线性系统，为了便于对电动机 进行分析和研究，有必要对实际电机进行如下假设，抽象出理想化电机模型： ( 王) 三项定子绕组在空间均对称分布，即在空间互差1 2 0 。电兔度，所产生 的磁动势沿气隙圆周按正弦分布，即忽略空间谐波。 ( 2 ) 各项绕组的自感和互感都是恒定的，即忽略磁路饱和的影响。 ( 3 ) 忽略铁心损耗。 ( 4 ) 不考虑频率和温度对电阻的影响。 在上述假定条件下，异步电动机数学模型可以由以下四组微分方程来描述： 一、电压方程 帮一r i + p g 其中 电压矢量 狂= u c u o u b 哎 r ( 3 - - 1 ) 电流矢量i - - - i a 珏屯i o i b t r ( 3 q ) 磁链矢量矿= 冁甄甄致】f( 3 一) 山东大学硕士学位论文 量曼量曼曼嬲懋篡曼曼曼量皇曼l i _i i i i i iiiiiiiuui, i i i i i i i i 黑慧曼蔓曼曼皇曼曼皇皇燮燃嬲鼍皇曼曼曼曼鼍量篁黑嬲黑皇曼量 电阻矩阵r = 咫00 00 0 0 墨00 0 0 00 墨000 00 0 见00 0000 怒0 000 0 0 墨 式中：，u c ，屹，定子、转子相电压的瞬时值 ，蠡，毛，屯，毛，毫定予、转子耦电流的爨对值 缈 ，虬三相定子绕组的全磁链 ( 3 - 4 ) 冀，墨定予、转子电阻 上述转子各量都已折算到定子侧，为简单起见，表示折算后的上角枷均 省略，以下同此。 二、磁链方程 l | c ，嚣l i 为方便起见，区y 虮孵 r ，f = l r ，其中虬，孵分别是定子、转 子磁链，i r ，分别是定子、转子电流，则可以得到分块矩阵的形式： 1 2 刚乏瑚 k 性 f 乙z + ： 铲瞄： - 0 l 一0 5 = li 乙+ 毛一0 5 1 | - 0 5 乙l 乙l + 五li - 0 s t 2 一o 5 乙2i 乙2 + 2 0 5 2l - 0 5 乙2 乙2 + 五2 | l c o s 0 c o s ( 0 + 1 2 0 0 ) c o s ( o - 1 2 0 0 ) 徽lc o s ( o - 1 2 0 0 ) c o s 0c o s ( 0 + 1 2 0 0 ) | c o s ( o + 1 2 0 0 ) c o s ( o - 1 2 0 0 ) c o s o ( 3 弓) ( 3 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 由东大学硕士学位论文 ，：，定、转子漏感 乙一乙，= 乞：定、转子互感，由于折算后定、转子匝数相等，且 各绕组间互感磁通过气隙，磁阻相同，故可以认为乙。= 乙：。 t = 魏+ 毛；、= 壤+ 毛：定、转子电感 口定、转子空间角位移 0 和k 两个分块矩阵互为转置，且与转子位置角口有关，它们的各个元素是 时变参数，这是系统非线性的一个根源，为了把时变参数转换成常参数需利用坐 标变换。 三、电磁转矩方程 根据机电能量转换原理，可求出电磁转矩z 表达式如下所示： 乏= ，o i 【( e + 岛蠢+ 电t ) s 洫口+ ( 屯+ 岛蠢+ 蠡) s i l 秽+ 1 2 0 。) + ( 乇+ 蠢+ 瑟) s i 域矽一1 2 0 0 ) 】 ( 3 哆) 四、电机的运动方程 一霉：一j d c o m ：歹! 堕 ( 争一l g ) 嚣。d t d t 由本小节的分析可知，异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强 耦合的多变量系统。异步电动机的强耦合性主要表现在磁链和转矩的方程中，既 有三相绕组之闻的耦合，又有定转子绕组之闻的耦合，还存在转矩方程式中磁场 与定转予电流之间的相互影响。根源在于它有一个复杂的电感矩阵。通常需要用 坐标变换法加以改造，最后得出与三相异步电动机等效的直流电动机模型。 3 1 2 坐标变换 上一节给出了舞步电动机的数学模型，但是要分析和求解这缝非线性方程 显然是十分困难的。通过对直流电机的分析发现，如果将交流电机的物理模型等 效的变换成类似的直流电机模式，分析和控制问题就可以大为简化，坐标变换就 是按照这种思路进行的，各种坐标之间进行坐标变换的原则是：电视在不弱的坐 标系中所产生的旋转磁动势相同。 1 3 山东大学硕士学位论文 在异步电动机矢量控制系统中，常用的坐标系是两相静止口一坐标系和两 相同步旋转d 一留坐标系，根据电机的p a r k 方程可以推导出异步电动机在口一 坐标系和d - q 坐标系中的数学模型。 3 1 2 1 三相静止到两相静止坐标系的变换 以电流量变换为例，三相静止坐标系a b c 到两相静止坐标系口一变换如 图3 - 1 所示。 1 4 图3 1 静止坐标系a - b c 到口一的转换 从而三相静止坐标系a b c 到两相静止坐标系口一的转换矩阵： c 3 s 2 s - 詈 其逆变换为： f t i 。 = = 【c 】。，：，f ；：1 lr a j h 【c k ，= ( 3 1 2 ) 。一2压一2 一 。一2压一2 一 。压了lno2鱼2 ，一2 l 一2 一 一 山东大学帧士学位论文 嬲黑黑攀鼍篁曼曼曼曼! 曼曼鼍曼曼曼鼍量曼i h i i i i i i i i i i i i i i 鼎麓曼鼍曼量暑曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓曼纂篡 即： 乏 2 t e ，。坨。 芝 e 3 一t 4 ， 设a - f l 为静止坐标系，d 1 为以同步转速峨为旋转的旋转坐标系，则口一 静止坐标系变换为 飞阕步旋转坐标系时，坐标轴的设定如图2 所示。鎏中德为 d 轴和a 轴的夹角，并随时闻而变化，且绣= d t ，i 为三相电流合成的空间矢 量，它在d q 轴上的分量为岛和，由此可以得到2 s 2 r 的变换为： 嚣嚣蚴 c 3 州， 乏 = - c o s s i n o c 允s 遗毽s o c 名i e 3 一，6 ， 气 芗 图3 _ 2 两相静止坐标系a 一到两相同步旋转坐标系d _ q 的转换 3 1 。2 。3 三相静止到同步旋转坐标系的变换 【c k ，= 【c 】：栊，h 。珑， 2ic o s o , c o s ( 0 c 一1 2 0 0 ) c o s ( e 。+ 1 2 0 0 ) i 3 i s i no c s i n ( o 。一1 2 0 0 ) s i n ( 0 , + 1 2 0 。) i 即： 乏 = c c l ，2 ， 篆 ( 3 1 7 ) ( 3 一1 8 ) 1 5 山东大学硕士学位论文 其反变换为： s i n o c s i n ( o c - 1 2 0 。) s i n ( g + 1 2 0 0 ) ( 3 1 9 ) 最。：乏2=c(了，：，；： c 3 - 2 c ， 这样通过空间矢量的转换就可以将三相静止的电机模型就转换成两相旋转 3 1 3 三相异步电动机在两相坐标系中的数学模型 一、异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型 前面已经推导出三相异步电动机的数学模型和3 s 2 s 坐标变换矩阵【c 】，m ，。 现在要将这两个方程式进行合并及整理，即可得到电动机在两相静止坐标系上的 数学模型如下所示： 电压方程： 磁链方程： u s p u s a u r p u r a r s + l s p 0 0 r s + l s p l pw r 厶 国r l ml m p l m p 0 0 l p r r + t , p 一r l r r l rr r 七l , p 1 咿 1 m l r p i r a vs 。= o s 。+ l m i r a 2t 如+ l 如 ( 3 - 2 2 ) v r 。= l m i s 。+ l r i r a v r b = l 0s b + l r i r b 电磁转矩方程：z = 兰刀p 乙( 卢t 一幺。) ( 3 - - 2 3 ) 二、异步电动机在两相同步旋转坐标上的电压模型 同理，由异步电动机的数学模型和3 s 2 r 坐标变换可以推导出异步电动机在 两相旋转坐标系上的数学模型如下所示： 1 6 o o o 0 2 2 见一 + ；鸱鸱 0 0 c c = 山东大学硕士学位论文 电压方程： k = 1 1 哪 u 耐 u 坤 u r a = 阻k r s 专s l s掰。l s s l m t l 。r s + s l ，一c l 。 s l ( 皱一鳞) 乙墨+ s l , ( c o , 一q ) 厶s l ( c o , 一q ) 电磁转矩：t = 罢三卅( o 一)电磁转矩：t = 詈三卅( 0 一) 织k s l 缱一婶) r r + s l 。 3 1 4 转子磁场定向间接矢量控制系统的基本方程黼 ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 6 ) 转矩磁场定向有两种方法：( 1 ) 直接发通过设置观测器估计转子磁链的 空间角位罱；( 2 ) 间接法通过对转