带式输送机多机变频驱动功率平衡控制研究.pdf

第 3 9卷 第 3 期 2 0 1 3年 3月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo1 ． 3 9 NO ． 3 M a r ．2 O 1 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 3 0 0 6 9 0 5 DOI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 9 余发山 ， 韩超超 ， 田西方 ， 等． 带式输送机 多机变频驱动功率 平衡控制研 究l- J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 3 ， 3 9 3 6 9 7 3 ． 带式输送机多机变频驱动功率平衡控制研究 余发 山 ， 韩 超 超 ， 田西方 ， 娄 慧 明 河 南理 工 大学 电气 工程 与 自动 化学 院 ， 河 南 焦作4 5 4 0 0 0 摘 要 针 对 多机驱 动 带式输 送机 在 负荷 变化 、 加减 速过 程 中极 易 出现 因功 率不 平衡 而造成 电动机 过 载甚 至损 坏 等 问题 ， 依 据转 矩 分配 原则推 导 出电动机 转矩 分 配公 式 ； 采 用 变频驱 动 的主从 控制 方 法 ， 主机 为 速度 、 磁链 闭环 的矢量控 制 ， 从机 为速 度 级联 下 的转矩控 制 ， 主 、 从机 在 转矩 分配 给定 情况 下进行 转 矩 闭环控 制 ； 建 立 了功 率平衡 控 制 系统模 型 ， 并给 出 了双 电动机 拖 动 功 率 平衡 控 制 系统 结 构 。Ma t l a b仿 真 结 果表 明 ， 在 负 荷变化 、 加减速过程 中各电动机输 出转矩可实现按 比例分配 ， 证 明了功率平衡控制 系统的有效性。 关键 词 带 式输送 机 ；多机 驱 动 ；功 率平衡 ；转 矩分 配 ；主从 控 制 中图分类 号 T D6 3 4 ． 1 文献标 志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 3 0 3 0 6 2 1 1 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 3 0 6 ． 2 1 1 8 ． 0 1 9 ． h t ml Re s e a r c h o f p o we r b a l a nc e c o n t r o l f o r mu l t i mo t o r f r e q u e n c y c o nv e r s i o n d r i v e o f b e l t c o n v e y o r YU Fa s ha n，H AN Ch a o c ha o，TI AN Xi f a ng，LOU H u i m i n g S c h o o l o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，He n a n P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y，J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t For pr ob l e ms o f mo t o r ov e r l o a d a nd e v e n da m a g e d c a us e d b y po we r un ba l a nc e whi c h e a s i l y a p pe a r s i n pr o c e s s e s of l o a d c h a ng i ng，a c c e l e r a t i on a nd de c e l e r a t i o n o f mul t i mot or d r i ve f o r be l t c o nv e y or ， a t o r que di s t r i b ut i on f or mul a o f m o t o r wa s d e d uc e d a c c or d i ng t o t o r q u e di s t r i b ut i on p r i nc i pl e ．M a s t e r s l a v e c on t r ol m e t ho d o f f r e q u e nc y c onv e r s i o n dr i v e wa s a do pt e d，na m e l y v e c t o r c o nt r o l wi t h c l o s e d l o op of s p e e d a n d m a g ne t i c c h a i n wa s u s e d f o r t h e ma s t e r m o t o r a nd s pe e d c a s c a de t or q ue c o nt r o l wa s us e d f o r t he s l a v e mot or ，s o t or qu e c l os e d l o o p c o n t r ol wa s do ne u nd e r t he c a s e t h a t t o r qu e di s t r i bu t i o n o f t h e m a s t e r a n d s l a ve mo t o r we r e gi ve n．M od e l of p owe r ba l a nc e c o nt r o l s y s t e m wa s e s t a bl i s he d a nd t he s t r u c t u r e o f du a l mot or dr i v e po we r ba l a n c e c o nt r ol s ys t e m wa s g i ve n．Th e r e s u l t o f M a t l a b s i mul a t i on s ho ws t ha t ou t pu t t o r qu e s o f t he mot o r s c a n a c hi e v e pr o po r t i o na l di s t r i bu t i o n i n pr o c e s s e s o f l oa d c ha ng i ng，a c c e l e r a t i o n a nd d e c e l e r a t i o n，whi c h p r o ve s e f f e c t i ve ne s s o f t he p owe r ba l a n c e c on t r ol s y s t e m ． Ke y wo r ds be l t c o nv e yo r；mul t i mot or d r i ve；p o we r ba l a n c e；t or q ue d i s t r i bu t i o n；ma s t e r s l a ve c o nt r o l 0 引 言 大 型带式 输 送机单 机 驱动 张力 往往 过大 ， 因此 ， 通常采用双电动机双滚筒分别驱动 ， 双机拖动 的关 键是 实 现功 率平 衡控 制 。功率 平衡 是指 在 负载 变化 和系 统调 速 的动静 态过 程 中各 电动机 的输 出功率按 比例分配 ， 即保持各个 电动机的负载率相 同。功率 平衡 分稳 态平 衡 和 动态 平 衡 ， 稳 态 平 衡 是 指 系 统进 入稳 态 时的 出力 状态 平 衡 ， 动 态 平 衡 是 指 输 送 机在 启动 、 调 速和 负 载 变化 过 程 中的 出力状 态 平 衡 。稳 收稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 - 1 9 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 6 1 2 0 3 0 6 5 。 作者简介 余发山 1 9 5 2 一 ， 男 ， 湖北长阳人 ， 教授 ， 博士研究生导师 ， 现从事工业过程控制 自动化方 面的教学与科研工 作， E ma i l c h a o h a n l 9 8 7 y a h o o ． c o rn． c n。 工 矿自 动 化 兰 竺 7O 键 是 调 速 方 式 主要 有 液 力 耦 合 器 调 地 蝓 木 兀 的 调 涑 方 式 王蚩 伺 ／ J 冈口“ 瓣 差 霎 篓 篓 茎 曩 驱动 ， 为实现带 式输 送 机 调 速 和 功翠 半 伪 住 刑 巾 了方 羁针 对双 电动机 分别 驱动 z个滚筒 的情 一 士 耍 针 对 双 由 动 机 分 另 IJ 刭 I承 I口 J 舅 篁 翼 。 进 行 转 矩 闭 环 控 制 ，从 而 实 现 电 明 L ，旱 侧 ， ’ 羹 詈 誊 嚣 篙 磊 磊 耋 动 1 机 7 0 并 0 r 联 ／ m 马 电动 机运行 转速 为 m， 电明 饥 负载力 矩分 别为 5 0 3 3 N ‘ m、 “ ” ～ 牲 ． 曲姥 由 Ⅱ 图 1昕 。 的影 响最终 将折 合 到 电动 机 轴 上 ， 影 响 电动 机 转 矩 输 出。 图 蒿 电 ⋯ ’ 芸 鼍 茎 3 0 rai n, N 并 联驱动 带 式输送 机 ， 电动 机 转 _ r E 巳阻伺 左 升 叫 机械 的 因素还有 滚筒 与输 送 粘专 马 嚣 罂 鬟 罢 篇 豢 裂。 有 大 的 差 异 必 须 进 行 维 修 或 者 史 秧 。 ～ 。 图 2 转 子电阻有差 异时 电动机特性 曲线 、 耄 差 配 ， 然后根 据转矩 功 率 分 配 给足 匀 ． ’ 州 的 比较结 果进行 转矩 功 率 闭环控制 。 各电动机功率分配满足以下关系 p 一 P 1 P 一 _ 、 机 P笔 曩 篡 电 动 机 的 额 定 功 率 ； 为 负 载 所 需 切 牛 P z 辜 率 分 配 控 制 算 法 ，只 对 于 双 机 拖 动 ，可 以 简 化 功 翠 分 配 性 利 异 、 ＼ P 。 T 2 ] P z T z z { 分 别 为主 、 从 电动机 的电 磁 转矩 训 、 训 刀别 _ L、 从 龟 嚣 知 晰 2 个 电 动 机 的 功 率 分 由 式 1 、式 2 司 知 ， 对 十 z 个 电 驯 十 T 一 一T ∑T t 式 中 丁 为每个 电动 机 的分 配 给 定转 矩 ； 丁 e 为每 个 电动 3 ，r J 由 式 可 得 主 、从 机 分 配 疋 F 叫 K 一孚一 T e t 4 2 0 1 3年 第 3期 余 发 山等 带式 输送 机 多机 变频驱 动 功率 平衡控 制研 究 7 1 2 ． 2基 于转 矩 闭环 的 功率 平衡控 制 方案 为 了将 式 4 转化 到控制 中， 按照 主从 控制 原理 建 立 主 回路 和从 回路 共 2个控 制 回路 。主 回路 采用 速 度 闭环 的矢量 控 制进 行 整体 速 度 控 制 ， 其 速 度 调 节 器 AS R的 输 出作 为 主 机 转 矩 环 ATR 的 转 矩 给 定 ， 同时按 照驱 动 系统 的运 动 方 程计 算 从 机 的转 矩 给 定值 ； 从 回路 为主机 速 度级联 下 转矩 闭环 控制 ， 将 主 机发 来 的转矩 值作 为 转 矩 环 ATR 的给 定 值 。双 机 拖动 功率 平衡 原理 如 图 3 所 示 。 图 3 双机拖动功率平衡原理 外部 控 制器 发送 速度 给定 指令 ， 速度 反馈 由编 码器 测得 ； 主 、 从 机转矩 计算 模块 根 据 电动机 在按转 子磁 链定 向的两 相 同 步旋 转 坐 标 系 上 的 磁链 方 程 、 电磁 转矩 方程 求得 ； P u l s e 为 S VP WM 模 块 ， 其 输 出 脉 冲触发 逆变 器 I n v e r t o r 。 3 双机 拖动 功率 平衡 控 制系统 模型 建立 驱动 系统 的运 动方 程 为l 7 ] T T 一 丁 一 - ， J 5 式 中 T 、 T 分别 为主 、 从 电动机 输 出转矩 ； T 为负 载转 矩 ； J 、 分 别 主 、 从 电 动机 转 子 转 动惯 量 ； ．， 为负 载转 动惯 量 ； 叫 为 2个 电动 机 的角速 度 。 对式 5 进行拉 普 拉斯 变换 ， 得 一 等 ㈤ 由图 3和 式 6 可 得功 率 平衡 控 制 系 统 Ma t l a b 仿 真模 型 ， 主要 包括 主 电动机 矢量 控制 部分 、 从 电动 机 转矩 控 制部 分 、 转矩 分 配 模 块 和 驱 动 系 统运 动 方 程 模块 ， 如 图 4所示 。 r ot o r t l U X ca l c ul a t i onl 图 4 功率平衡控 制系统仿真模型 4 仿 真分 析 定 电压 Un 4 6 0 V， 额 定频 率 f n 6 0 Hz , 定子 电阻 R 一0 ． 2 7 6 1 Q， 定 子漏 电感 L 一0 ． 0 0 2 1 9 1 H， 转 子 4 ． 1 相同参数 电动机仿真及分析 电 阻R 一 0 ．1 6 4 5 Q，转 子 漏 电 感L 一 主 、 从 机参 数设 置 额定 功率 P 一1 4 9 2 0 W ， 额0 ． 0 0 2 1 9 1 H， 互 感 L 一O ． 0 7 6 4 1 H， 转 子转 动惯 量 7 2 工矿 自动化 2 O 1 3年 第 3 9卷 J 一0 ． 1 k g1 T I 。负 载 转 动 惯 量 J 一 6 k gI l l 。 主机速 度给定 为 1 0 0 r a d ／ s 。 为 了验 证 本 文控 制 方 法 的有 效性 ， 对 以下 3种 情 况进 行仿 真 ， 结 果如 图 5 所 示 。 1 负载 转 矩 T 9 0 N m， 主 、 从 电 动 机 转 矩 分配 比为 K一1 1 。 2 负 载 不 变 ， 主 、 从 电动 机转 矩 分 配 比改 变 TI 9 O N r n， K 一 1 ． 2 1。 3 负 载 改 变 ， 主 、 从 电动 机 转矩 分 配 比不 变 T 一1 2 O N m 。 K 一 11 2 00 毛 1 6 0 1 20 ≈ 喜 8 0 40 一24 0 20 0 翟1 6 0 ≈ l 0 0 g 4 0 己 4 0 2 4 0 2 0 0 翟1 6 0 1 20 80 z 40 ＼ ．．． ．．．_ ．-。 。 _ ‘’ _ 1 ．0 1 ． 5 2 ．0 t／s 9 O N m ， K 一 1 1 一一一一一一一一一一一一一一 1 l I．． ．．．一 ．．． ．．．- 一 ．．_ _ 1 ．0 1 ．5 2 ．0 t／S 9 0 N n 1 ． K 1 ． 2 ． X 2． 62 2 I．．．．．．．．一 一 一 一 _ _ 0 U． ， 1 ． 0 i ． 5 2． 0 2， j 0 t／s C T】 一 1 2 O N m ， K 一 11 主电动机 转矩 ⋯ ⋯ 从 电动机转矩； _-_一 转速给 定 ⋯从 电动机转速 罔 5 相同功率 电动机 同步调 速主、 从转矩分配仿真波形 由图 5可 知 ， 在 负载 改 变 或 者转 矩 分 配 比改变 时 ， 从 电动机 的转速 、 转矩 不论 是在 动态还 是 在稳态 下都 能很 好地 跟随 主 电动机 ， 输 出转 矩 比值 基 本符 合转 矩分 配 ， 误 差约 为 1 ％ ， 实现 了功率 平衡 。 4 ． 2 不 同参数 电动机仿 真及 分析 主 电动 机参 数 不 变 ， 改 变从 电动 机参 数 进 行仿 真 。从 电动机参 数设 置 额 定 功率 P 一7 4 6 0 W ， 额 定 电压 U 一4 6 0 V， 额定频 率 一6 0 Hz ， 定 子 电阻 R 一0 ． 6 8 3 7 Q， 定子漏 电感 L 一0 ． 0 0 4 1 5 2 H， 转 子 电阻 R 一0 ． 4 5 1 Q， 转 子 漏 电感 L 一0 ． 0 0 4 l 5 2 H， 互感 L 一0 ． 1 4 8 6 H， 转 动惯 量 J 。 一0 ． 0 5 k g I T l 。 负载 转动惯 量 l 『 一6 k g m 。主 、 从 电动 机转 矩分 配 比为 2l 。 在 t 一0 S时 ， 主机 速 度 给 定 为 1 0 0 r a d ／ s ， 负 载 转矩 为 9 0 N r n ； 在 t 一 3 S时 ， 将 负 载 转 矩 变 为 1 2 0 N m， 为 了节 能运行 ， 假设 速度 变 为1 4 0 r a d ／ s 。 不 同功率 电动 机 同步 调 速 时 的 主 、 从 转 矩 分 配 仿 真 波形 如 图 6 所 示 。 主 电动 机 转 矩 ⋯ ⋯‘ 从 电 动 机 转 矩 ； ⋯一 转速给定 ⋯从电动机转速 图 6不同电动机功率 、 同步调速时 的事、 从转 分 配 仿 真 波 肜 由 图 6可知 ， 不 沦是 在动 态还是 稳态 下 ， 从 电动 机 的转速 能够 很好 地 跟 随 主 电动 机 转 速 ， 从 电 动机 输 出转矩 与主 电动机 输 出转矩 比值 基本 为 】2 ， 实 现 了功率 平衡 。 5 双 电动机拖 动功 率平 衡控 制 系统实现 双 电动机 拖 动 功 率 平 衡 控 制 系 统 结 构 如 图 7 所示 。 带 式 输 送 机 罔 7 双 电 动机 拖 动 控 制 系 统 结 构 S 7 3 0 0 P I C作为 P r o f i | U S D P网络 主站 ， 川 r 控制 2个 变频驱 动站 。驱 动站 由主 驱动 和从骆 动组 成 ， 主 、 从 驱 动 均采 用 西 门子 公 司生 产 的 6 G E 7 o变 频器 。主驱动为 速 度 闭 环 的矢 量 控 制 ， 从 驱 动 为转 矩控 制 ， 两 者通 过 S i mu l i n k通 信 板 连接 并 进 行 参 数设 置 。为 了进 行 负 荷 分配 ． 在设 置 从 驱 动 转 矩 给 定时要 乘 以 比例 系 数 K。S 7 3 0 0 P I C向 主 驱 动 发 送转 速 、 转 矩给 定 ， 控 制 主 、 从 ，弓 Ⅸ 动开 停 等 信 并 实 时读 取 两者 的运行 状态 ， 进行 保护 控制 。 6 结语 研 究 了 多机驱 动 带 式输 送 机 的 负荷 分 配 问题 ， 5 r 1 O a O 0 第 3 9卷 第 3期 2 O l 3年 3月 工 矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Aut o ma t i on Vo 1 ． 3 9 NO ． 3 M a r ． 2 O 1 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 3 0 0 7 3 0 5 DOI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 2 0 唐霞， 彭智育 ， 王沙沙， 等． 不平衡工况下井下 S TA TC OM 控制策略研究[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 3 ， 3 9 3 7 3 7 7 ． 不平衡工况下井下 S T AT C OM 控制策略研究 唐 霞 ， 彭智 育 ， 王 沙沙 ， 韩 丽 中国矿 业大 学 信 电学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘 要 针 对 井下 不平衡 工 况会 导致 S TATCOM 控 制 性 能 变差 、 影 响 补 偿 效 果 的 问题 ， 提 出采取 改进 开 关 函数 法及 负序 电压前 馈控 制 策略 ， 让 S T ATC O M 发 出一 个与 系统 负序 电压 大 小和 相 位 都 相 等 的 负序 电 压 ， 来补 偿 系统 负序 电压 ， 保证 了 S TA TC OM 在 不 平衡 工 况 下 的正 常 运 行 。仿 真 结 果 表 明 ， 该控 制 策略 起 到 了抑制负序 电流的作用 ， 有效克服 了三相不平衡的影响。 关键 词 静 止 同步 补偿 器 ；控 制策略 ；不 平衡 工况 ； 前 馈控 制 ； S TAT C OM 中 图分类 号 TD 6 1 文 献 标志码 A 网络 出版 时问 2 0 1 3 0 3 0 6 2 1 1 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 3 0 6 ． 2 1 1 9 ． 0 2 0 ． h t ml Re s e a r c h o f STATCOM c o n t r o l s t r a t e g y un d e r u n de r g r o u nd u nb a l a nc e d c o n d i t i o n TA NG Xi a，PENG Zhi yu， W ANG Sh a s ha，HA N Li S c ho o l o f I n f o r m a t i on a n d El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng，Ch i na U n i ve r s i t y of M i ni ng a nd Te c hno l o gy， Xuz h ou 2 21 0 0 8，Chi n a Ab s t r a c t For p r obl e m t ha t u nd e r g r o un d u nb a l a nc e d c o nd i t i on wi l l r e s ul t i n p oo r c on t r ol p e r f o r ma nc e o f STATCOM ，a f f e c t i ng c ompe ns a t i o n e f f e c t ， t he p a pe r pr o po s e d a c o nt r o l s t r a t e gy a d o pt i n g i m p r ov e d s wi t c h f u nc t i o n me t ho d a n d ne g a t i ve s e qu e nc e v ol t a ge f e e d f o r wa r d，m a d e t he STATCOM i s s u e a ne ga t i v e s e qu e nc e v o l t a g e wh os e m a gni t ud e a nd p ha s e a r e e q u a l t o ne ga t i ve s e q u e nc e v ol t a ge o f t he s y s t e m t o c ompe ns a t e f or t he ne g a t i ve s e q ue n c e v ol t a ge o f t he s y s t e m ， S O a s t o e ns u r e n o r ma l o p e r a t i o n o f STATCOM u nd e r u nb a l a nc e d c o nd i t i o n． Si m u l a t i on r e s ul t s s ho w t ha t t he c on t r ol s t r a t e gy c a n i n hi b i t 收 稿 日期 2 O 1 2 - 1 2 1 3 。 基金项 目 教育部博十点基金项 目 2 0 l 】 0 0 9 5 1 1 0 0 1 4 。 作者简介 唐霞 1 9 8 5 一 ， 女 ， 山东菏泽人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为电力系统及 自动化 ， Ema i l t a n g x i a l 9 8 6 1 2 l 6 3 ． c o i n 。 针 对双 机拖 动 ， 提 出基于 转矩 分配 的 主从控 制 方法 ； 在 Ma t l a b中建 立 系统 的功 率平衡 控 制模 型 ， 对相 同 与不 同 电动机参 数情 况进 行 仿真 ， 结果 表 明 ， 不 论是 动 态 还 是 稳 态 ， 2个 电动 机 都 能 按 照 预期 目标 较 好 地 进行 负 荷分配 ， 解 决 了功率 平衡 问题 ； 给 出 了双机 拖 动功 率平 衡控 制 系统结 构 ， 为实 际 应用 提供 参考 。 参 考 文 献 [ 1 ] [ 2 ] 宋伟刚 ， 战欣 ， 王元元 ． 大型带 式输 送机 驱动 装置 的 比 较研究 [ J ] ． 工程设计 学报 ， 2 0 0 4 ， 1 1 6 3 0 1 3 1 l _ 董爱华 ， 曹淑娟 ， 刘 尚争． 双 电机驱 动胶 带运 输系统 模 糊跟 随器 的研究 与设计 [ J ] ． 长 沙 电力学 院学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 4， 1 9 4 7 2 7 5 ． 郭 建军 ， 郭建廷． 带式输送机多机拖动功率平衡 问题 的 探讨 [ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 8 8 9 1 ． 邓 永胜 ， 宋伟 刚， 赵琛． 双滚 筒传 动带式 输送 机 的电动 机 功率平衡[ J ] ． 东北 大学 学报 自然科 学版 ， 2 0 0 0 ， 2 1 5 52 0 52 3 ． 王素娥 ， 郝鹏 飞， 孟彦京 ． 纸机传 动 系统负荷 分 配控制 的分析与设计E J ] ． 中国造纸 ， 2 0 0 4 ， 2 3 8 4 0 4 3 ． WAGNERV E， 孟 凡 平 ． 双 驱 动 带 式 输 送 机 的 载 荷 分 配[ J ] ． 起重运输机械 ， 1 9 8 4 1 2 4 2 4 8 ． 陈伯时． 电力 拖动 自动控 制 系统[ M] ． 北京 机 械工 业 出 版 社 ， 2 0 0 3 ． 洪乃刚． 电力 电子 和 电力 拖 动控 制 系统 的 MATI AB 仿真[ M] ． 北 京 机械 ] 二 业 出版社 ， 2 0 0 6 ． ] ] ] ] ] ]