1、山東大學碩士學位論文變頻器在煤礦提升機中的應用及研究 姓名:徐曉宇申請學位級別:碩士專業(yè):電氣工程指導教師:王廣柱20080922山東大學碩士學位論文摘 要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電動機的控制也得到了空前的發(fā)展,原來以直流 電視為主要控制對象的時代已經(jīng)被取代。取焉代之的是交流電視,交流電機與直 流電機相比有其天然的優(yōu)勢即:成本低、過載能力強、操作簡單、易于控制等等。 但是交流電機又有自己一個明顯的缺點就是不易調(diào)速。為了解決交流電機不易調(diào) 速的缺點研究人員經(jīng)過長時聞豁研究終于找到了比較好的解決方法,這就是變頻 調(diào)速。于是變頻器便成了交流電機控制中一個比較核心的部分,因為它的好壞直 接關(guān)系整個控制

2、系統(tǒng)的性能。于是采用什么樣的控制方案設計變頻器便成了異步 電動機調(diào)速設計當中非常重要的問題。20實際70年代,電子晶體管的開發(fā)成功,為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和 普及奠定了基礎(chǔ)。隨著變壓變頻技術(shù)的實現(xiàn)、矢量控制技術(shù)的實現(xiàn)、和現(xiàn)代控制 理論豹不斷完善,使得異步電動機的調(diào)速性能得到了空前豹改善。另辨計算機技 術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速進步,極大地簡化了實施SPWM及矢量控制的方法, 增強和擴展了變頻器的功能,使變頻調(diào)速技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。另外一些比較 先進的控制算法也在不斷的發(fā)展翻優(yōu)純。如今模糊控制理論邑經(jīng)在很多場合得到 應用,并且越來越得到開發(fā)人員的重視。模糊自適應PID控制算法是一種比較完 備

3、的算法,模糊自適應PID有很多優(yōu)點,比如在控制系統(tǒng)中動態(tài)性能好、調(diào)節(jié)時 聞短、沒有超調(diào)等。瓣前,雖然鮮有變頻器采用模糊自適應PID控制的,但從模 糊自適應PID算法的優(yōu)點來看,它一定會被越來越多的應用到變頻器的控制當 中。本文依據(jù)現(xiàn)有礦用設備對整個礦霜提井機系統(tǒng)進彳亍了深入的研究和改進。重 點研究了變頻器的設計,通過采用模糊自適應PID控制算法對變頻器進行控制, 并分別用模糊自適應PID控制算法和普通PID控制算法對變頻器系統(tǒng)進行了仿 真,結(jié)果證明采用模糊自適應PID控制算法有明顯的優(yōu)點。優(yōu)點如下:1、模糊參數(shù)自適應PID控制比常規(guī)PID控制具有良好的動態(tài)性能,如上升 時間、調(diào)節(jié)時間都比較短,

4、而且無超調(diào);2、在仿真過程中,當有參數(shù)發(fā)生變化時,模糊參數(shù)自適應PID控制比常規(guī)PID控制可以明顯地改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能;3、本文使用的模糊參數(shù)自適應PID方法控制效果好、易于實現(xiàn),便于工程 應用,與常規(guī)PID控制相比,不僅對被控參數(shù)變化適應能力強,而且在對象模型 結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變的情況下也能獲得較好的控制效果。所以,如果能將模糊自適應PID控制應用于實際的變頻器控制當中對于提 高變頻器的性能是非常有效的。另外本文還重點介紹了對礦用提升機系統(tǒng)中的改進,其中包括對測速故障保 護的設計,觸摸屏進一步人性化設計并取得了很好的效果。關(guān)鍵詞:提升機;變頻器;模糊自適應PID;測速故障;觸摸屏lIABS

5、TRACTW汕the development of power electronics,motor control alsogot all unprecedented development,to the original DC motor control as the main targets of the era have been replaced by.Then AC motor instead of DC motor,AC motor has many advantages compared with DC motor:low cost,strong overload capacit

6、y, simple operation,easy to control,and SO on.But AC motor has an obvious shortcoming that is not easy to governor speed.The researcher has taken a long period to solve this problem.Finally they found a good solution,which is Frequency Contr01. Then converter has become a more central part in AC mot

7、or control,because it will have a direct relation wim the control system performance.So what l【ind of control program design converter becomes asynchronous motor speed designs very important issue.So how to choose the control scheme of converter has became a very important problem in the design of s

8、peed governing system.In the 19.70s,the successful development of electronic transistors laid the foundation for the development and popularization of the VVVF technology.With therealization of variablefrequency technology,the realization of vector control technology,and modem control theory of cont

9、inuous improvement,the governor makes asynchronous motor performance of an unprecedented improvement. In addition,the rapid progress of computer technology and large-scale integrated circuits greatly simplifies the implementation of SPWM and vector control methods,and also strengthens and expands th

10、e functions of the converter SO that theWVF technology has been rapid development.And some more advanced control algorithm is also in the unceasing development and optimization.Now fuzzy control theory has been applied on many occasions,and be paid more and more attention by developers.Fuzzy adaptiv

11、e PID algorithm is a relatively comprehensive algorithm.Fuzzy adaptive PID has many advantages,such as better dynamic performance,shorter accommodation time and no overshoot in the control system.Currently,few converters adopt fuzzy adaptive PID algorithm,but from the vantagepoint,岫adaptive PID algo

12、rithm IIImust be applied to more and more control of the converteLIn this paper,based on existing mining equipment to the whole mine hoiSt system for all in-depth study and improvement.Focus on the design of the inverter,through the use of fuzzy adaptive PID algorithm to control the丘equency converte

13、r,and were used fuzzy adaptive PID algorithm and the general PID algorithm for the simulation inverter system,results show that using adaptive fuzzy PID control algorithms have obvious advantages.Benefits are as follows:(IAdaptive fuzzy parameters PID control than conventional PID control has a good

14、 dynamic performance,such as rise time,shorter than the regulation time,but no overshoot;(2In the course of simulation,when the parameters have changed,the fuzzy parameters adaptive PID control than conventional PID control can significantly improve the control system of dynamic performance;(3In thi

15、s paper,the use of the fuzzy parameters adaptive PID control method effective,easy to implement,easy application,compared with the conventional PID control,not only on the parameters charged麗tll a strong ability to adapt to change, but also in larger object model structure also changed circumstances

16、 To obtain better contr01.Therefore,if the fuzzy adaptive PID control can be used in actual control,it will be very effective for improving the performance of the converteLAnother paper also highlights the mine hoist system of improvements,including the failure to protect the gun design,further huma

17、n touch screen design and have obtained very good results.Key words:Hoist;Converter;Fuzzy adaptive PID;Gun fault;TouchscreenW原創(chuàng)性聲明和關(guān)于論文使用授權(quán)的說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下, 獨立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均己在文中以明確方 式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名:盎必 日 期:遜:呈絲關(guān)于

18、學位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解山東大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定,同 意學校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子 版,允許論文被查閱和借閱;本人授權(quán)山東大學可以將本學位論 文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、 縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。(保密論文在解密后應遵守此規(guī)定論文作者簽名:盜啦導師簽名:丑型蘭 El 期:星受&生V山東大學碩士學位論文1.1礦井提升機系統(tǒng)的概述第1章緒論礦井提升機是礦山大型固定設備之一,是井下與地面的主要運輸工具。礦井 提升祝主要擔負一個礦井所有的礦物(煤,礦石提升,升降人員,運輸設備, 下放材料等, 根據(jù)提升機的工

19、作種類或工作原理的不同,提升機有不同的分類:提升機按工作種類可分為:1主并提升機:擔負礦井生產(chǎn)礦物提升的主提升機。2副并提升楓:擔負礦井入員、材料、設備等舞降任務的提秀機。按驅(qū)動方式可分為:1直流提升機;2交流提升機;直流提升視又分為:1發(fā)電機組控制提升機;2晶闌管調(diào)速提升機;交流提升機分為:王TDK系列串電阻柜調(diào)速提舞機;2串極調(diào)速提升機;3變極調(diào)速提升機;4變頻調(diào)速提升機;各類提舞祝的工作原理和構(gòu)造雖然差別很大,但它們都有一些共同的不可缺 少的部分組成,如圖1.1所示:山東大學碩士學位論文圖1.1提升機組成框圖動力裝置:主電機;傳動系統(tǒng):減速機、聯(lián)軸器、滾筒、導向輪等;制動系統(tǒng)裝置:制動器

20、和液壓傳動裝置潤滑冷卻系統(tǒng):潤滑泵站及管路、懸掛裝置:提升容器(箕斗或罐籠、鋼絲繩,聯(lián)軸器等;電源系統(tǒng):主變壓器、高壓裝置、低壓裝置等;控制系統(tǒng):操作臺、行程監(jiān)控器、繼電器柜、傳動柜;保護系統(tǒng):提供礦井提升機完善后備保護的系統(tǒng)以上是關(guān)于礦用提升機的作用、類型和結(jié)構(gòu)做了以下簡單的介紹,接下來將 簡單的介紹一下礦用提升機的發(fā)展情況。目前國內(nèi)礦用提升機一般都還是采用交流繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制 系統(tǒng)。提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差,特別在負載變動時很難實 現(xiàn)恒減速控制,經(jīng)常會造成過卷和過放事故,提升機頻繁的啟動和制動工作過程 會使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當嚴重的能耗,轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路

21、復雜,接觸 器,電阻器,線繞電機電刷等容易損壞,影響生產(chǎn)效益。隨著最近幾年電力電子和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,交流電機越來越多的被應用 到現(xiàn)在工業(yè)當中,大有取代直流電機的趨勢。變頻調(diào)速系統(tǒng)應運而生,并逐漸成 為現(xiàn)代工業(yè)的寵兒。現(xiàn)在國內(nèi)有些煤礦已經(jīng)開始應用變頻技術(shù)來控制提升機并取 得了很好的效果。隨著現(xiàn)代數(shù)字電子的發(fā)展計算機控制已經(jīng)成為一種很成熟的控 制技術(shù)它以它的節(jié)能和使用方便等諸多優(yōu)點成為了一種主流控制方式。于是以數(shù) 字技術(shù)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速也必將成為交流電機調(diào)速的一種趨勢【l】。2山東大學碩士學位論文現(xiàn)在我國也融經(jīng)開始進行了數(shù)控化的開發(fā)研制,并逐漸應用到了提升機里 面。國內(nèi)如大中專院校、企業(yè)院所正

22、在傲數(shù)字化提升機電控系統(tǒng)的集成開發(fā)嘗試。 考慮當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,緊密結(jié)合提升機控制工藝的要求,我們認為當今先進 的數(shù)字化提升機廒具有以下特點:在驅(qū)動控制上,礦井提升機與直流拖動與交流拖動相比,調(diào)速性能好,不需 要附加其他拖動裝置,隨著驅(qū)動控制產(chǎn)品的成熟,完全能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字化控制, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性與控制精度。在整個系統(tǒng)的配置上,應采用現(xiàn)在比較成熟的網(wǎng)絡化設計,增加系統(tǒng)的可靠 性,減少?現(xiàn)場的工作量,減低的系統(tǒng)的整體成本。.1。2礦用高壓變頻器的發(fā)震隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展,促進了電氣傳動的技 術(shù)革命。交流調(diào)速取代妻流調(diào)速,計算機數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢。

23、 交流電機變頻調(diào)速是當今節(jié)約電能,改善生產(chǎn)工藝流程,提高產(chǎn)品質(zhì)量,以及改 善運行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高頻率,高功率因數(shù),以及優(yōu)異的調(diào) 速耪窟鍘動性能等諸多優(yōu)點面被國內(nèi)外認為最有前途的調(diào)速方式。以翦的高壓變頻器,壹可控硅整流,可控硅逆變等器件構(gòu)成,缺點很多,諧 波大,對電網(wǎng)和電機都有影響。近年來,發(fā)展起來的一些新型器件將改變這一現(xiàn) 狀,如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構(gòu)成的高壓變頻器,性能優(yōu)異,可以實 現(xiàn)p嬲逆變,甚至是PWM整流。不僅具有諧波小,功率因數(shù)也有很大程度的提離。2。國產(chǎn)高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀嘲目前,在國內(nèi)有大量的低壓交頻器廠商,其大部分炎AC380V的中小功率產(chǎn)

24、 品,而在高壓大功率變頻器方面,卻為數(shù)不多。能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務的 高壓變頻器廠商,僅有少數(shù)的具備科研能力或資金實力的個別企業(yè)。國內(nèi)僅有少部分的中、高壓電機進行了變頻調(diào)速改造,且普通采用v/f控制 方式。高壓交頻器的品種和性麓還處于發(fā)展階段,每年市場仍需大量進囂。這些 狀況主要表現(xiàn)在如下幾個方面:(1國外各大品牌的產(chǎn)品正加緊占領(lǐng)國內(nèi)市場,并加快了本地化的步伐。 3山東大學碩士學位論文(2具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少。(3國產(chǎn)高壓變頻器的功率等級較低,目前不超過3500KW。(4國內(nèi)高壓變頻器的技術(shù)標準還有待規(guī)范。(5與高壓變頻器相配套的產(chǎn)業(yè)很不發(fā)達。(6生產(chǎn)工藝落后,面前滿足變頻器產(chǎn)

25、品的技術(shù)要求,但價格低廉。(7變頻器中使用的功率半導體,驅(qū)動電路,電解電容等關(guān)鍵部件完全依賴 進口。(8與發(fā)達國家的技術(shù)差距在縮小,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應用在國民 經(jīng)濟中。(9已經(jīng)研制出具有瞬時掉電再恢復、故障再恢復等功能的變頻器。(10能夠進行四象限運行的高壓變頻器尚在研究與開發(fā)中。國外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商,均形成了系列化的產(chǎn)品,其控制系統(tǒng)也已實 現(xiàn)全數(shù)字化。幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能,完善的工藝水平也是國外品 牌的一大特點。目前,在發(fā)達國家,只要有電機的場合,就會同時有變頻器的存 在。其現(xiàn)階段發(fā)展情況主要表現(xiàn)如下:(1技術(shù)開發(fā)起步早,并具有相當大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。(2能夠提供特大規(guī)

26、模的變頻器,目前已經(jīng)超過10000KW。(3變頻調(diào)速產(chǎn)品的技術(shù)標準比較完備。(4與變頻器相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模。(5能夠生產(chǎn)變頻器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。(6高壓變頻器在各個行業(yè)中被廣泛應用,并取得了顯著的經(jīng)濟效益。(7產(chǎn)品國際化,當?shù)鼗觿　?8新技術(shù),新工藝層出不窮,并被大量的、快速的應用與產(chǎn)品中。目前 4山東大學碩士學位論文|iiiii iiiiiii iiii沒有IOKV產(chǎn)品。2.3高壓變頻器的未來發(fā)展態(tài)勢交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合,機電一體的綜合技術(shù),既要處理巨大電能 的轉(zhuǎn)換(整流、逆變,又要處理信息的收集、變換和傳輸,因此它必定會分成 功率和控制兩大部分。

27、前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題,后者要解決的 軟硬件控制問題。因此,未來高壓變頻調(diào)速技術(shù)也將在這兩方面得到發(fā)展,其主 要表現(xiàn)為:(1高壓變頻器將朝著大功率,小型化,輕型化的方向發(fā)展。(2高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加(器件串聯(lián)和單元串聯(lián) 兩個方向發(fā)展。(3更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中。(4現(xiàn)階段,IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色,SCR、GTO將會退 出變頻器市場。(5無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應用將 趨于成熟。(6全面實現(xiàn)數(shù)字化和自動化:參數(shù)自設定技術(shù);過程自優(yōu)化技術(shù);故障 宣診斷技術(shù)。(7應用32位MC

28、U、DSP及ASIC等器件,實現(xiàn)變頻器的高精度,多功能。(8相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化,規(guī)?；l(fā)展,社會分工將更加甓顯。 1.3本文的主要工作1,3.1本文的研究內(nèi)容本論文首先介紹了礦用提升機的應用和發(fā)展前景,然后介紹了矢量控制的基 本原理,對比了兩種轉(zhuǎn)子磁場定向控制的有缺點。重點闡述了變頻器模糊PID矢 量控制的原理及其構(gòu)造,并且以現(xiàn)有礦用提升機系統(tǒng)為依據(jù)改進了提升機控制技 5山東大學碩士學位論文術(shù)。重點介紹了自適應模糊PID算法的原理與在變頻器控制系統(tǒng)中的應用,本文 對常規(guī)PID和自適應模糊PID控制進行了仿真并比較其優(yōu)缺點。第一章本章主要介紹了礦用提升機在我國的發(fā)展現(xiàn)狀,以及國內(nèi)外高壓變頻

29、 器的發(fā)展及在礦用提升機當中的應用,并對變頻器的發(fā)展進行了展望。第二章首先對各種控制方案進行了比較,并在此基礎(chǔ)上選擇了異步變頻調(diào)速 系統(tǒng)作為提升機的傳動系統(tǒng),采用觸摸屏方式的上位機控制,電動系統(tǒng)和拖動系 統(tǒng)采用PLC控制方案。第三章首先介紹了矢量控制的基本原理,然后介紹了異步電動機的數(shù)學模 型、變頻器的原理和控制算法及其變頻器的選型。本章重點介紹模糊自適應PID 控制算法的理論和實現(xiàn),并對其進行了仿真對比證明了模糊自適應PID控制算法 的優(yōu)點。第四章介紹了系統(tǒng)當中各種設備元件的選型,并對整個控制系統(tǒng)進行了具體 的設計,包括監(jiān)控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)的設計以及PLC系統(tǒng)的軟硬件設計。第五章首先給出了提升

30、機系統(tǒng)的工作原理圖,對整個系統(tǒng)的啟動、運行及停 車作了具體的系統(tǒng)描述。第六章為設計工作總結(jié)。6山東大學碩士學位論文第2章礦用提升機電控方案選擇實現(xiàn)工業(yè)自動化控制可以用多種方式來實現(xiàn),總體方案設計中選擇何種控制 系統(tǒng)是關(guān)鍵的一環(huán)。它直接關(guān)系到投資成本、耗能、可靠性、安全性和應用效果。 本系統(tǒng)的總體方案選型主要包括監(jiān)控系統(tǒng)的選型和拖動系統(tǒng)的選型,其中監(jiān)控系 統(tǒng)選型又包括操作站系統(tǒng)的選型和主控制系統(tǒng)的選型。2.1監(jiān)控系統(tǒng)選型比較提升機的監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機和主控系統(tǒng)組成,來完成現(xiàn)場的信號、數(shù)據(jù) 的采集及實時顯示、監(jiān)控和保護任務。上位機是控制系統(tǒng)人機界面和監(jiān)視控制裝置,它主要完成監(jiān)督控制、最佳控 制及

31、集中監(jiān)視、操作和處理。對所監(jiān)視的系統(tǒng)范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的緊急情況做出相 應,實現(xiàn)對被監(jiān)控系統(tǒng)的最佳運行。它具有系統(tǒng)協(xié)調(diào)、報表制作、畫面顯示、畫 面拷貝、歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索及自診斷等一系列功能。上位機既可以由工業(yè)控制 計算機實現(xiàn)也可以由觸摸式顯示屏實現(xiàn),但二者在性能上存在差異:1.觸摸式顯示屏 它是目前國際上較先進的一種集控制與顯示與一體的專 用計算機產(chǎn)品,被成為可編程序控制器的臉面,并可以用于設置參數(shù)顯示數(shù)據(jù), 以動畫的形式描繪自動化控制過程等。在礦井提升系統(tǒng)中可以用棒圖顯示提升容 器在井筒中的高度,動態(tài)顯示全程的提升速度的曲線度,故障實現(xiàn)自登錄,自診 斷以及聲光報警等。2.工業(yè)控制計算機工業(yè)控制

32、計算也是工業(yè)現(xiàn)場常采用的一種監(jiān)控設備,與 觸摸式顯示屏比較它在操作的方便性略差,在數(shù)據(jù)或畫面調(diào)出時觸摸式顯示屏可 以直接用手點擊相應畫面即可,而工控機需采用相應的指令。綜合考慮到提升機的應用要求和控制上的方便性此次上位機我們選擇采用 觸摸式顯示屏。7山東大學碩士學位論文I,I II,11. 1111IIIIIIII鼉繁 2.。2主控系統(tǒng)的選型比較礦井提升機主控系統(tǒng)是礦井提升機電控系統(tǒng)的核心,它綜合信號系統(tǒng)、深度 指示系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)及其它設備的各種信號、數(shù)據(jù),對提升機及相 關(guān)設備的工作狀況進行實時監(jiān)控,控制罐籠的啟動、減速、停車,保障罐籠在運 行過程中的安全。對本系統(tǒng)來講,主控系統(tǒng)既

33、可以改造為用微型計算機進行控鍘, 也可以改造為用PLC進行控制。下面將對二者的性麓進行斃較:1.應用范圍:微型計算機系統(tǒng)一般用于科學計算、數(shù)據(jù)處理及計算機通信 等方面。而PLC主要用于工業(yè)控制。2.使用環(huán)境:微型計算機對環(huán)境要求比較高,一般要求在干擾小并具有一 定溫度和濕度要求的機房內(nèi)使用。而PLC適應工程現(xiàn)場的環(huán)境。3.程序設計:微型計算機系統(tǒng)具有豐富的程序設計語言,要求使用者具有 一定水平的計算機程序編制能力和接口技術(shù)。PLC可以把非?；h單的編程語言提 供給用戶使用,編程語句數(shù)量少、邏輯簡單,有的PLC還提供算術(shù)運算指令,步 進指令等,易于學習和掌握。4.系統(tǒng)功能:微型計算機系統(tǒng)一般配有較

34、強的操作系統(tǒng)進行設備管理、文 件管理、存儲管理。PLC只有簡單的監(jiān)控程序,能完成赦障檢查、用戶程序輸入 和修改用戶程序的執(zhí)行等功能。由以上分析可見,PLC是工業(yè)控制的專用機具有可靠性高、編程簡單、控制 系統(tǒng)設計調(diào)試周期短,但輸入/輸出響應速度慢的特點,而微型計算機是通用計 算機,可靠性相比PLC而言稍差,編程復雜且控制系統(tǒng)設計調(diào)試周期長,但響應 速度快。2。2拖動控制系統(tǒng)選型比較2。2.1交流傳動系統(tǒng)黼交流傳動系統(tǒng)泛指以各種交流電動機為控制對象的傳動系統(tǒng),一般地說,交 流傳動比較簡單,設備和安裝費用低,建筑占地面積小,但電氣調(diào)速性能差,減 速和爬行階段需要附加拖動裝置。董.串級調(diào)速在繞線轉(zhuǎn)予異

35、步電動機轉(zhuǎn)子通路中引入努加電動勢,以改變山東大學碩士學位論文曼皇!曼曼舅黑黑愚曼曼曼曼曼曼II II IIIII IIIII IIIIIIIII .IIII I I I I 。 I I I I I _l i N D 一 一一I I . I I I I l l n皇曼舅 電動機運行轉(zhuǎn)差率而獲得不同轉(zhuǎn)速。根據(jù)產(chǎn)生附加電勢的方法不同,異步串級拖 動可分為蠱流電機串級、離子串級以及可控硅直流睪級?；皬V泛采靂的是蘑者, 該拖動方式具有效率較高,調(diào)速平滑,爬行段不需附加其它設備和控制性能好等 特點。它的缺點是功率因數(shù)低、顛覆力矩降低約17%,線路較復雜,投資較高等。 2。變頻調(diào)速大型提舞機采用交頻調(diào)速取

36、代傳統(tǒng)的直流傳動是近年來的發(fā) 展趨勢,它克服了大功率直流電動機換向器的換向能力受限,設計制造及維護困 難和電動機體積龐大等問題。變頻調(diào)速是利用異步電動機的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化 的特性,通過改變異步電動機的頻率進行調(diào)速的方法,它有以下顯著的優(yōu)點:1輸出功率可以連續(xù)調(diào)節(jié),可以實現(xiàn)電動機無級調(diào)速。2功率因數(shù)高,利用效率高,節(jié)能效果顯著。(1有發(fā)無功功率的能力,不消耗電網(wǎng)上的無功。(2穩(wěn)壓性能好。如設備在額定功率下運行,能保證電動機在額定電壓下 運行,從而避免了因電壓高(低對電機所造成的危害。(3在電動機昭負荷低于額定功率時,它可以根據(jù)給定值來調(diào)整電動祝的 輸出功率。3對電網(wǎng)電壓波動有很大的適應能力,并

37、能大大減少系統(tǒng)對電網(wǎng)的污染。4可調(diào)范圍(頻率可在OHz,.400Hz之聞進行調(diào)節(jié)寬,可以實現(xiàn)大范隰調(diào) 速,并能保證很硬的輸出特性,并且動態(tài)響應特性好,調(diào)速精度高。適用于各種 壓力、溫度、速度、流量的控制。辯啟動、停止平穩(wěn),極大地緩和了對電動機的沖擊,使電動機能夠平穩(wěn)遺 加速或減速,從而避免了驟然啟動或驟然停止所造成的損害,大大延長了電動機 及整套機組的使用壽命。除此之井,更兼其體積小、重量輕、遙用性強的特點,因此,變頻調(diào)速技術(shù) 越來越廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這將極大地提高工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化水 平,從而可以實現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能的目的。圭。直流發(fā)電機一嗽動機傳動方式控制直流發(fā)電機的勵磁實現(xiàn)電動機變電樞

38、 電壓調(diào)速,均勻地調(diào)節(jié)勵磁電流和極性,可方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無級調(diào)速和四象限運 9山東大學碩士學位論文行。其缺點是設備和安裝費用高、建筑占地面積大、發(fā)電機組維護工作量大。 2.晶閘管變流裝置供電方式利用晶閘管變流裝置組成的可逆系統(tǒng)是一種 可實現(xiàn)四象限運行、性能好的調(diào)速系統(tǒng)且效率高、可節(jié)能、維護工作量小。在該 系統(tǒng)下一般均采用以電樞電流反饋為內(nèi)環(huán)和測速反饋為外環(huán)的雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？?逆系統(tǒng)基本上采用有環(huán)流控制和無準備切換邏輯無環(huán)流控制兩種控制方式。2.3提升機電控系統(tǒng)選型在保證系統(tǒng)的可靠、安全和經(jīng)濟性的前提下,綜合考慮上述各種方案的優(yōu)缺 點,本系統(tǒng)各模塊的選型方案如下:上位機系統(tǒng):采用觸摸式顯示屏,以模

39、擬畫面形式顯示出絞車運行的各種狀 態(tài)、各種參數(shù)及各種控制元件工作狀況。主控制系統(tǒng):采用完全獨立的兩套PLC系統(tǒng)進行過程實時監(jiān)控實現(xiàn)安全回路 的雙線制。拖動控制系統(tǒng):采用三相交流異步電動變頻調(diào)速系統(tǒng),以實現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)定運 行。在本系統(tǒng)中觸摸屏、PLC、變頻器三者之間通過RS485通信電纜進行連接通 信。PLC根據(jù)內(nèi)部指令控制變頻器的運行,PLC及變頻器的參數(shù)通過觸摸屏進行 設置,且二者的運行狀況返回觸摸屏進行實時顯示。2.4本章小結(jié)本章通過對各種控制方案進行了比較,最終選擇了異步變頻調(diào)速系統(tǒng)作為提 升機的傳動系統(tǒng),采用觸摸屏方式的上位機控制,電動系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)采用PLC 控制方案。lO山東大學碩士

40、學位論文第3章變頻器控制的研究及變頻器的選型3.1矢量控制的基本原理上世紀70年代,德國的Blaschke、Hasse和Leonhard等人提凄了感應電機 的矢量控制技術(shù)。這種控制技術(shù)可以實現(xiàn)感應電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量和產(chǎn)生磁 通的電流分量之間的解耦控制,使感應電機獲得與它勵直流電機一致的瞬態(tài)響應 特性,實現(xiàn)對負載撬動和參數(shù)值變佬的快速嚷應。間接性轉(zhuǎn)子矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單,而且動態(tài)性能基本上可以達到直流雙 閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平,是目前應用最廣泛、最成熟的一種高生能矢量控制方案。 接下來將要介紹一下矢量控制的基本原理。異步電動機是一個多變量、高階、強耦合的非線性系統(tǒng),為了便于對電動機 進行分析和

41、研究,有必要對實際電機進行如下假設,抽象出理想化電機模型: (王三項定子繞組在空間均對稱分布,即在空間互差120。電兔度,所產(chǎn)生 的磁動勢沿氣隙圓周按正弦分布,即忽略空間諧波。(2各項繞組的自感和互感都是恒定的,即忽略磁路飽和的影響。(3忽略鐵心損耗。(4不考慮頻率和溫度對電阻的影響。在上述假定條件下,異步電動機數(shù)學模型可以由以下四組微分方程來描述:一、電壓方程幫一Ri+Pg其中電壓矢量 狂=uc Uo ub哎r(3-1 電流矢量i-iA玨屯io ib tr (3q 磁鏈矢量礦=囅%甄甄致】f (3一山東大學碩士學位論文量曼量曼曼嬲懋篡曼曼曼量皇曼LI ._IIIIII IIIIIIUUI,

42、II IIIIII黑慧曼蔓曼曼皇曼曼皇皇燮燃嬲鼉皇曼曼曼曼鼉量篁黑嬲黑皇曼量電阻矩陣R= 咫00000 0墨0000 00墨000 000見00 0000怒0 00000墨式中:%,Uc,屹,%,%定子、轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值,蠡,毛,屯,毛,毫定予、轉(zhuǎn)子耦電流的爨對值緲,%,%,%,虬三相定子繞組的全磁鏈(3-4冀,墨定予、轉(zhuǎn)子電阻上述轉(zhuǎn)子各量都已折算到定子側(cè),為簡單起見,表示折算后的上角枷均 省略,以下同此。二、磁鏈方程l|c,囂Li為方便起見,區(qū)y蟣孵r,f=lr,其中虬,孵分別是定子、轉(zhuǎn) 子磁鏈,ir,分別是定子、轉(zhuǎn)子電流,則可以得到分塊矩陣的形式:12 剛乏瑚k性f乙z+:鏟瞄:-0.%

43、l一0.5/=l I乙+毛一0.5/.1|-0.5乙l乙l+五l I乙2+20.5/.2l-0.5乙2乙2+五2|l cos0cos(0+1200cos(O-1200徽l cos(O-1200cos0cos(0+1200|cos(O+1200cos(O-1200cosO(3弓 (3 (37 (38由東大學碩士學位論文,:,定、轉(zhuǎn)子漏感乙一乙,=乞:定、轉(zhuǎn)子互感,由于折算后定、轉(zhuǎn)子匝數(shù)相等,且 各繞組間互感磁通過氣隙,磁阻相同,故可以認為乙。=乙:。t=魏+毛;、=壤+毛:定、轉(zhuǎn)子電感口定、轉(zhuǎn)子空間角位移0和k兩個分塊矩陣互為轉(zhuǎn)置,且與轉(zhuǎn)子位置角口有關(guān),它們的各個元素是 時變參數(shù),這是系統(tǒng)非線性

44、的一個根源,為了把時變參數(shù)轉(zhuǎn)換成常參數(shù)需利用坐 標變換。三、電磁轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理,可求出電磁轉(zhuǎn)矩Z表達式如下所示:乏=,oI【(e+島蠢+電ts洫口+(屯+島蠢+蠡sil穢+120。+(乇+蠢+瑟si域矽一1200】 (3哆 四、電機的運動方程一霉:一Jdcom:歹!墮 (爭一lG 囂。dt dt由本小節(jié)的分析可知,異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強 耦合的多變量系統(tǒng)。異步電動機的強耦合性主要表現(xiàn)在磁鏈和轉(zhuǎn)矩的方程中,既 有三相繞組之聞的耦合,又有定轉(zhuǎn)子繞組之聞的耦合,還存在轉(zhuǎn)矩方程式中磁場 與定轉(zhuǎn)予電流之間的相互影響。根源在于它有一個復雜的電感矩陣。通常需要用 坐標變

45、換法加以改造,最后得出與三相異步電動機等效的直流電動機模型。上一節(jié)給出了舞步電動機的數(shù)學模型,但是要分析和求解這縫非線性方程 顯然是十分困難的。通過對直流電機的分析發(fā)現(xiàn),如果將交流電機的物理模型等 效的變換成類似的直流電機模式,分析和控制問題就可以大為簡化,坐標變換就 是按照這種思路進行的,各種坐標之間進行坐標變換的原則是:電視在不弱的坐 標系中所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢相同。13山東大學碩士學位論文在異步電動機矢量控制系統(tǒng)中,常用的坐標系是兩相靜止口一坐標系和兩 相同步旋轉(zhuǎn)d一留坐標系,根據(jù)電機的park方程可以推導出異步電動機在口一 坐標系和d-q坐標系中的數(shù)學模型。以電流量變換為例,三相靜止坐標

46、系A(chǔ)BC到兩相靜止坐標系口一變換如 圖3-1所示。14圖31靜止坐標系A(chǔ)-BC到口一的轉(zhuǎn)換從而三相靜止坐標系A(chǔ)BC到兩相靜止坐標系口一的轉(zhuǎn)換矩陣: C3s/2s-詈其逆變換為:f t i 。 =【 c 】 。,:,f ; :1L rAJ H【ck,=(312 。一2壓 一2一。一2壓 一2一,一2l一2一一山東大學幀士學位論文嬲黑黑攀鼉篁曼曼曼曼!曼曼鼉曼曼曼鼉量曼IH IIIIII IIIIIIII鼎麓曼鼉曼量暑曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓曼纂篡 即:乏 2t e , ,。坨。芝 e3一t4,設a-fl為靜止坐標系,d1為以同步轉(zhuǎn)速峨為旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標系,則口一 靜止坐標系變換為飛闋步旋轉(zhuǎn)坐標

47、系時,坐標軸的設定如圖2所示。鎏中德為 d軸和a軸的夾角,并隨時聞而變化,且繡=dt,i為三相電流合成的空間矢 量,它在dq軸上的分量為島和,由此可以得到2s/2R的變換為:囂囂蚴 c3州, 乏 =-COs S i n o c 允 s 遺 毽s O c 名i . e3一,6,.氣薌圖3_2兩相靜止坐標系a一到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系d_q的轉(zhuǎn)換3.1。2。3三相靜止到同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換【ck,=【c】:櫳,H。瓏,2i cosO,cos(0c一1200cos(e。+1200I 3I sin Oc sin(O。一1200sin(0,+120。I 即:乏 =c L , ,2, 篆 (317 (3一18

48、 15山東大學碩士學位論文其反變換為:sinOcsin(Oc-120。 sin(g+1200(319 最。:乏 2=c (了 ,:,; :c3-2c, 這樣通過空間矢量的轉(zhuǎn)換就可以將三相靜止的電機模型就轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)一、異步電動機在兩相靜止坐標系上的數(shù)學模型 前面已經(jīng)推導出三相異步電動機的數(shù)學模型和3s/2s坐標變換矩陣【c】,m,。 現(xiàn)在要將這兩個方程式進行合并及整理,即可得到電動機在兩相靜止坐標系上的 數(shù)學模型如下所示:電壓方程:磁鏈方程:Usp UsaUrpUra Rs+Lsp00Rs+Lsp LP Wr厶 國rLm Lmp Lmp 00LP Rr+t,p一rLr rLr Rr七L,p

49、1咿 1m lrp Irav s。=os。+LmIra%2t如+L如(3-22V r。=Lmis。+LrIraV rB=L0sB+LrirB 電磁轉(zhuǎn)矩方程:z=蘭刀p乙(盧t一幺。(3-23二、異步電動機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標上的電壓模型同理,由異步電動機的數(shù)學模型和3S/2R坐標變換可以推導出異步電動機在 兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學模型如下所示:16o o O022見一 +;鴟鴟 00C C =山東大學碩士學位論文電壓方程:k= 11哪U耐U坤Ura=阻kRs專sLs 掰。Ls sLm tL。 Rs+sL, 一cL。sL. (皺一鱗乙墨+sL, (co,一q厶sL. (co,一q電磁轉(zhuǎn)矩:t=罷%三

50、卅(o%一% 電磁轉(zhuǎn)矩:t=詈%三卅(0%一%織k sL. 繾一嬸 Rr+SL。轉(zhuǎn)矩磁場定向有兩種方法:(1直接發(fā)通過設置觀測器估計轉(zhuǎn)子磁鏈的 空間角位罱;(2間接法通過對轉(zhuǎn)差角頻率和轉(zhuǎn)子角頻率積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈 的空聞角位置。第二種方法霹聞接矢量控制的依據(jù)。聞接磁場定向控制的最主要 優(yōu)點在于不需要安裝復雜的磁通感應器,簡化了系統(tǒng)設計。工業(yè)生產(chǎn)中,通常要 求矢量控制系統(tǒng)能夠工作在零速度,基于電壓模型信號估計的直接矢量控制不能 被采用,間接矢量控制在工業(yè)應用中比較流行。由異步電動機在兩相圊步旋轉(zhuǎn)坐標系上的數(shù)學模型易知當按轉(zhuǎn)子磁鏈定向 r時,應有織=,致=彤埠=01iP推出:孵警熹 (3-27 乏=

51、主%等斂島故=嚷一哆=差島 一9, 由于轉(zhuǎn)子磁鏈被定向在d軸,且鈹=鱗+甌,因此轉(zhuǎn)子磁鏈的空間位置角:包=他講=J(婢+略砂(3-3017山東大學碩士學位論文圖3_3異步電動機矢量變換與解耦數(shù)學模型SPlIM正弦調(diào)制方法是以獲得圓形磁場為目的,把三相對稱的正弦波電壓供 電時交流電機的理想磁通作為基準,通過控制功率管的通斷,逼近此理想磁通。 此方法將逆變系統(tǒng)和電機看成一個整體,模型比較簡單,也便于微處理器實時控 制,它是相當于在普通的規(guī)則采樣調(diào)制中注入了零序分量,下面首先分析一下 SPwM正弦調(diào)制的原理。電機的理想供電電壓為三相對稱正弦,設為線電壓,相電壓表達式如下 圪=sin(wt (3311

52、8圪=咖n(研一詈石 (332山東大學碩士學位論文圪。sin(cot+刳 (3q3, 根據(jù)合成電壓矢量公式y(tǒng)=巧+巧+眨=專(圪十口巧+貔2K (3嗎4 上面兩式合成后,得到V=2e一耐 (35 從上式可以看出,合成電壓矢量是一個隨時間變化的賦值一定的圓形磁場。 焉磁場是電壓的積分,因此,產(chǎn)生的磁場也是一個圓形磁場。豳4為逆變器籬單 的拓補圖。定義三個開關(guān)函數(shù)疋,&,鼠。用1代表一個橋臂的導通,0代表 一個橋臀下橋臂導通。則對180度導通型逆變器來說,三相橋臂的開關(guān)有八個導 通狀態(tài),包括六個非零矢量和二個零矢量。圖3_q交流電機控制逆變撟結(jié)構(gòu)圖啪.“ 10蝣弘o 01 %(10l圖3-5電壓矢

53、量圖合理的選擇六個非零矢量的施加次序和作用時間,可使磁鏈空間矢量順時針山東大學碩士學位論文或者逆時針旋轉(zhuǎn)形成一定的磁鏈軌跡。選擇的方式不同,形成的磁鏈軌跡形狀也 不一樣。這就是磁鏈軌跡形成的原理。為了使逆變器輸出的電壓矢量接近圓形,并最終得到圓形的旋轉(zhuǎn)磁通,必須 利用逆變器的輸出電壓時f.-j組合,形成多邊形電壓矢量軌跡,使之更加接近圓形。 如圖35所示,當旋轉(zhuǎn)磁通位于1區(qū)時,用最近的電壓矢量合成,并按照伏秒 平衡的原則得瓦圪+瓦K+roVo=彤 (3-36 專(瓦e-j60。+T4P0。+To宰o=恤戶(3-37 令上式其等號兩邊得實部、虛部相等,可以得到下面的等式。瓦=等如p 。喇, 瓦=

54、等s洫(刊 c3 To=r-r,一瓦 (3_40 各電壓矢量得作用次序要遵守以下的原則:任意一次電壓矢量的變化只能有 一個橋臂的開關(guān)動作,即在二進制矢量中每次只有一位變化。這是因為如果允許 有連個或者三個橋臂同時動作,則在線電壓的半周期內(nèi)會出現(xiàn)反極性的電壓脈 沖,產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩,引起轉(zhuǎn)矩脈動和電磁噪聲。由上面的式子可以得到:隨著合成電壓矢量K的長度的增加,瓦和瓦的值 不斷增加,瓦的值逐漸減小,必須滿足瓦大于零,將此條件代入瓦表達式,得到下面的條件腿南 。-41 在實際中,此方程需要對任意口都成立,則有y肇?？梢?當輸出電壓達到上限值時,其輸出線電壓基波峰值可以達到,此山東大學碩士學位論文曼魯曼曼

55、曼笪舅黑黑鼉曼曼曼曼曼曼曼曼曼燃黑篡鼉曼曼曼曼曼!曼Hi.I I。 II曼曼皇曼曼皇曼曼皇皇曼蔓燃燃鼉曼曼曼曼曼曼曼量曼冀燃黑鼉鼉曼 調(diào)制方法比傳統(tǒng)的規(guī)則采樣SPwM提高了15.47%的電壓利用率。SPwM的調(diào)制波相 當子在原正弦波上翔了一個零序分量,能臻顯減少逆變器輸激電流的諧波成分及 電機的諧波損耗,降低脈動轉(zhuǎn)矩,提高電壓利用率?；谝陨系脑?所以在現(xiàn)在科研人員對異步電動機變頻器設計當中,基本 上都是采用矢量控制的方法。根據(jù)具體的控制要求構(gòu)建具體的矢量控制模型。下 面將介紹一下采用什么樣的控制方法來實現(xiàn)對變頻器的控制。3。2基于模糊自適應整定PID的控制策略研究模糊邏輯煎概念是Zadeh

56、予1965年提宙的,英國的Mamdani在1974年成功 地將模糊控制應用于蒸汽發(fā)動機。70年代,不少學者試圖應用模糊控制來實現(xiàn) 一些過程復雜、難以用數(shù)學模型進行精確描述的系統(tǒng),取得了成功。進入80年 代,模糊控制進入了迅速發(fā)展時麓,在理論上和實踐上均取褥了豐碩昀成采。進 入90年代,不僅模糊控制在家用電器控制方面得到了極為廣泛的應用,而且該 技術(shù)已推廣到工業(yè)控制。模糊控制建立的基礎(chǔ)是模糊邏輯,它比傳統(tǒng)邏輯系統(tǒng)更接近于人類的思維和 語言表達方式,而提供了對現(xiàn)實世界不精確或近似知識的獲取方法。模糊控制的 實質(zhì)是將基于專家的控制策略轉(zhuǎn)換為自動控制的策略。經(jīng)驗證明,對一些復雜系 統(tǒng),特別是系統(tǒng)存在定

57、性的不精確和不確定信息的情況下,模糊控制的效果常優(yōu) 于常規(guī)控制。圖3卅 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖模顴控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圈3-6新示,控制器由三大部分構(gòu)成,幫模糊輸 入接口,模糊推理判決結(jié)構(gòu),模糊輸出接口,它們構(gòu)成了模糊控制器的控制機理21山東大學碩士學位論文和算法結(jié)構(gòu)。模糊輸入接口的主要功能是實現(xiàn)精確量的模糊化,以便進行模糊推理和決 策。模糊推理決策機構(gòu)的主要功能是模仿人的思維特征,根據(jù)總結(jié)人工控制策略 取得的語言控制規(guī)則進行模糊推理,并決策出模糊輸出控制量。模糊輸出接口的主要功能是對經(jīng)模糊推理決策后所取的模糊控制量進行模 糊決策,把輸出模糊量轉(zhuǎn)化為精確量后,施于被控對象。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,許多被控對象隨著負載變化或者干擾因素的影響,其對 象