PLC在矿井提升机变频调速中的应用 - 图文

第4章 矢量控制变频器调速

第4章：矢量控制变频调速

4.1变频调速的发展及在提升机系统中的应用

传统调速系统中，直流调速以其控制容易，调速精度高等特点长期占据了主导地位，但是由于结构复杂，过流能力不强，环境适应差，难以实现高速度化等原因，一直限制了其应用范围的进一步扩大。相比较而言，交流异步电机具有环境适应能力强、过流能力大、牢固耐用、结构简单、容易维护及价格低廉等优点，但异步电机的调速性能难以满足生产要求。随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展，现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中，使得交流调速性能可以和直流调速相媲美、相竞争，交流调速系统的应用领域不断扩大。近年来，电力电子技术的发展和DSP微处理器的推出，更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础，目前己经进入了实用化阶段，作为众多调速方案之一的变频调速，其发展不超过40年，却取得了长足的进步，变频调速以其节能和可平滑调速，调速范围宽等优点得到了广泛的应用。

交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段。 第一个阶段为电压/频率(U/f)恒定控制，这种控制方法在低频时定子电压较低，定子漏抗压降所占的份量不能忽略，因此需要人为地把电压抬高一些，用以补偿定子压降，负载不同时需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。

第二个阶段是矢量变换控制，它的方法是模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定的坐标系变换为旋转坐标系解祸后，交流量的控制变为直流量的控制，于是等同于直流电动机。

第三个阶段为直接转矩控制，也叫直接自控，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量模与相角的复杂计算工作，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无超调，控制性能更好。

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燕山大学本科生毕业设计（论文）

提升机控制系统的硬件由模拟技术转向数字技术，全数字变频技术应用于提升机控制。减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好、减速与爬行自然过渡，而且节能效果显著。采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节，使减速阶段在各种条件下均可严格按照给定的速度图运行，使交流拖动在减速段达到直流拖动的调速性能，减速段到爬行段过渡平滑。这样在提升机系统的最大静张力差允许范围内能实现正力减速与爬行、负力减速与爬行以及验绳等多种工作方式，达到控制要求。采用矢量控制技术零速起动转矩达150%，确保低速爬行时的启动与运行特性，输出频率跟随给定频率，并且频率与电流值可准确指示出来。从而使传动系统获得高精度、高可靠性。采用直接转矩控制可改善低频特性，普通变频器虽然可以输出较低的频率，但输出力矩小，特性较软，应用于提升位能负载时，起动瞬间总要溜车。采用特殊的软件编程，改善低频特性，即使在输出0Hz的情况下，也能输出200%的负载力矩，达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩。完全避免了重载坡起时溜车的现象。

提升机使用变频调速控制具有下列优点：

(l) 调速平滑、调速范围大，通过控制器的控制，变频器的输出频率可以连续调节，实现无级调速，使电动机起动电流小、动负荷小、调速平滑而无冲击。

(2) 调速精度高，电动机在自然特性上运转时的外特性硬，转速随负载变化小。

(3) 动态品质好，可使提升机的起动、制动、反转和调速过程的时间降至最少，具有良好的动态品质。

(4) 易实现电动机的换向，当频率降低至零后即可反向开车，采用控制器改变相序即可实现反转，因此可在四象限内平滑的过渡。

(5) 节电效果显著，变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能20%~40%。

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第4章 矢量控制变频器调速

4.2变频调速基本原理

异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统 。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。

交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。

异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速[10]

n0?60f1 (4-1) p式中f1——定子绕组电源频率；P—电机磁极对数。 异步电动机转差率s?n0?n； n060f1(1?s)； p则异步电动机转速n?n0(1?s)?由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种： a.变同步转速n0：变极p、变频f1、

b.变转差率s: 定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。 由电机学可知，转差功率:

Ps?sPem?PCu2 (4-2)

式中Pem—电磁功率；

cu2—转子铜耗。

由式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。由电机与电力拖动可知，异步电动机等效电路如图4.1所示，

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R1I1X1?w1l1''X2?w1l2Im'ESI2'RSSw1,U1E1'X1m?w1M

图4-1 异步电动机等效电路

对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速 表达式为:

n1?式中:n1—同步转速 (r/min)；

60f1 （4-3） npf1—定子频率(Hz)；

np—磁极对数。 而异步电动机的转速为:

n?n1(1?s)?式中:s—异步电动机的转差率

60f1(1?s) （4-4） nps?n1?n （4-5） n1改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。当然，也可以通过改变转差率，和磁极对数n ，来改变异步电动机的转速。 但是变极 对 数和变转差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。

磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降；磁通太强，则由于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限

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