煤矿电动机应急调速系统设计.pdf

第 4 2 卷 第 1 1期 2 0 1 6年 1 1月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 1 1 NO V ． 2 O1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 1 0 0 5 5 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 1 1 ． 0 1 3 阮文韬． 煤矿电动机应急调速系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 1 5 5 5 8 ． 煤矿电动机应急调速系统设计 阮 文 韬 成都纺织高等专科学校 电气信息工程学院，四川 成都 6 1 1 7 3 1 摘要 针对变频器发生故障时很难在较短时间内恢复正常运行 的问题， 设计 了煤矿 电动机应急调速 系 统 。该 系统采 用应 急 变频装 置替代 故 障 的原 始 变频 器 来控 制 电动 机 当原 始 变频 器发 生 故 障 时 ， P L C 主控 单元 根据 电动 机和 变频 器的故 障状 态实时控 制应 急 变频 装置 ； 当应 急 变频 装 置的 输 出达 到 电动机 的 运行 条 件时， 切换装置立即动作 ， 从而实现应急变频装置对电动机转速的稳定控制。仿真 结果表 明， 该 系统在原 始 变频器故障的情况下能够快速接入应急变频装置 ， 具有较好的调速性能。 关键 词 电动机 ； 应 急调 速 ； 应 急 变频 装 置 中图分类号 TD 6 1 4 文献标志码 A 网络出版时问 2 0 1 6 1 0 2 8 1 6 2 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 6 1 0 2 8 ． 1 6 2 8 ． 0 1 3 ． h t ml De s i gn o f e me r g e nc y s pe e d r e gu l a t i o n s y s t e m o f c o a l mi n e mo t e r RUAN W e n t a o S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Ch e n g d u Te x t i l e Co l l e g e ，Ch e n g d u 6 1 1 7 3 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m t ha t i t i s d i f f i c u l t t o r e c o ve r no r ma l o pe r a t i o n i n a s ho r t t i me whe n 收稿 日期 2 0 1 6 0 6 0 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 9 2 6 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 四川省教育厅重 点项 目 1 3 Z A0 1 0 0 。 作者简介 阮文韬 1 9 8 2 一 ， 女 ， 四川乐 山人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要研究方向为检测技术 与 自动化装置 ， E - ma i l 9 2 8 4 7 2 1 7 8 q q ． c o m。 [3] [4] [5] [6 ] [7 ] [8 ] [9] 周淙 ， 卢毅 ， 廖瑞 金 ， 等． 基 于小波 包提取 算法 和相关 分析 的电缆双端行波测距 I- J ] ． 电力系统保 护与控制 ， 2 0 1 2 ， 4 O 1 1 - 4 ． 王敏 ， 王磊 ， 陈平． 基于行波原理的 1 0 k V电缆单环网 故障测 距 研 究 [ J ] ．电力 系统 保 护 与控 制 ， 2 0 1 3 ， 4 1 6 3 8 4 2 ． 周淙 ， 卢 毅 ， 李剑 ， 等． 小波包 提取算 法 和相关 分析用 于 电缆双端行 波测 距I- J ] ． 高 电压技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 7 7 16 95 16 9 9． 覃剑 ， 陈祥训 ， 郑 健超 ， 等． 利用小 波变换 的双 端行波 测距新 方 法 I- J 5 ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 0 8 7 1 1． 黄子俊 ， 陈允 平． 行 波故 障定位 中小 波基 的选择 [ J ] ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 6 ， 3 0 3 6 1 6 4 ． 王述仲． 基 于快 速本征 模态分解 的电力系统短期负荷 预测 [ J ] ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 1 3 ， 3 3 增 刊 1 79 8 4． W U Z H 。 HUANG N E． En s e mb l e e mp i r i c a l mo d e d e c o mp o s i t i o n a n o i s e a s s i s t e d d a t a a n a l y s i s me t h o d I- J ] ． Ad v a n c e s i n Ad a p t i v e D a t a An a l y s i s ， 2 0 1 1 ， 1 1 1 41 ． YEH J R， S HI EH J S，N0RDEN E，e t a 1 ． C o mp l e me n t a r y e n s e mb l e e mp i r i c a l mo d e d e c o mpo s i t i o n a no i s e e nha n c e d d a t a a na l ys i s met hod [ J ] ． Ad v a n c e s i n Ad a p t i v e D a t a A n a l y s i s ， 2 0 1 2 ， 2 2 1 35 15 6 ． 唐贵基 ， 王 晓龙 ． 基 于 E E MD降噪和 1 ． 5维能量谱 的 滚动轴 承 故 障 诊 断 研 究 [ J ] ． 振 动 与 冲 击 ， 2 0 1 4 ， 3 3 1 6 - 1 0 ． HU ANG N E。 W U Z ．A r e v i e w o n H i l b e r t Hu a n g t r a n s f o r m M e t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n s t O g e o p h y s i c a l s t u d i e s [ J ] ．R e v i e ws o f G e o p h y s i c s ， 2 0 0 8 ， 4 6 2 2 O O8 ． 束洪 春 ， 孙 涛． 电缆 一架空 线混合 线路 故 障行 波 测距 新方 法I- j ] ． 电力 自动化设备 ， 2 0 0 8 ， 2 8 1 0 1 - 7 ． 张小 丽， 曾祥 君 ， 马洪 江 ， 等． 基 于 Hi l b e r t Hu a n g变 换的电网故 障 行波 定位 方 法 E J ] ． 电力 系 统 自动 化 ， 2 0 0 8， 3 2 8 6 4 - 6 8 ． 束洪 春 ， 田鑫萃 ， 董 俊 ， 等． 利用故 障特 征频 带和 TT 变换的电 缆单 端行 波 测距 [ J ] ． 中 国电机 工程 学 报 ， 2 O 1 3， 3 6 2 2 1 0 3 1 1 2 ． 『l 阳 口 I二l 口 I二J I二I I二I 5 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 f r e qu e nc y c o nv e r t e r f a i l s， e me r ge nc y s p e e d r e gu l a t i o n s y s t e m o f c o a l m i n e m o t e r wa s d e s i gn e d． The s ys t e m us e s e me r ge nc y f r e q ue nc y c o nv e r s i o n d e vi c e t o r e pl a c e t h e f a i l e d f r e qu e nc y c o n ve r t e r t o c on t r o l mot or whe n t he o r i g i n al f r e q ue nc y c o nv e r t e r f a i l s ，PLC m a i n c on t r o l u ni t c o nt r o l s e m e r ge nc y f r e qu e nc y c on ve r s i o n de v i c e i n r e a l t i me a c c o r d i n g t o f a u l t s t a t e o f t he mot or a nd t h e f r e qu e n c y c on v e r t e r； wh e n ou t pu t of t he e me r g e nc y f r e q u e nc y c o nv e r s i o n d e v i c e r e a c he s o pe r a t i n g c on di t i o n o f t he mo t o r，s wi t c hi n g de vi c e a c t s i mme di a t e l y，S O a s t o r e a l i z e s t a bl e c o nt r o l o f m o t or s pe e d．The s i m u l a t i on r e s u l t s s ho w t h a t t he s ys t e m c a n qu i c kl y a c c e s s t h e e m e r g e n c y f r e q u e nc y c o nv e r s i on d e v i c e whe n o r i gi n a l c o n ve r t e r f a i l s，a n d h a s g o od s pe e d r e g ul a t i o n pe r f o r ma n c e． Ke y wo r d s m o t or ；e m e r ge n c y s p e e d r e gul a t i o n；e m e r ge nc y f r e q ue nc y c o n ve r s i o n de vi c e 0 引言 随着 计 算 机 和 电力 电子 技 术 的迅 速 发 展 ， 采用 变频器控制的电动机调速系统逐渐代替了传统的电 动机 调速 系统 。基 于 电力 电子 技术 的变 频器 调速控 制 系统 具有快 速 、 稳定 的特 点 ， 在 工业应 用 中得 到 了 普 及 ， 成 为 主流 的 调 速设 备 [ 。但 是 ， 变 频 器 的 主 电路是 由电力 电子开关器件组成， 当发生故 障时很 难 在较 短 的时间 内恢 复 正 常 运 行 ， 所 以 一旦 故 障就 会 导致 电动 机非 正 常运 行 ， 影 响煤 矿 生 产 系统 的正 常运行 。针 对这 一 问题 ， 本 文设 计 了一 种 煤矿 电动 机应 急调速 系统 。该 系统 由应 急 变 频 装置 、 P L C主 控单元 和切 换装 置 等组 成 ， P L C主 控单 元 根 据 电动 机和 变频器 的故 障状 态 ， 采 用模 糊 P I D算 法 实 时控 制应急变频装置 的输出 。 】 ， 一旦应急变频装置的输 出达 到 电动机 运行 条件 ， 切换 装置 立 即动作 ， 从 而 实 现应 急变 频装 置对 电动机 的稳 定控 制 。 1 系统 结构及 工 作原理 煤矿 电动机应急调速系统结构如 图 1所示 ， 其 中应急 变频 装置 参数 与原 始 变 频 器控 制 参 数 相 同 。 P L C主控 单元 采 集 并 处 理 电 动 机 和 原 始 变 频 器 的 运行信息 ， 用于判断是否出现故障， 一旦检测到原始 变频器发生故障 ， 即对切换装置和应急变频装置实 施控制 。切换装置根据 P I c主控单元 的信号， 将应 急变频装置与故障变频器进行切换。应急变频装置 在 P L C的指令下立即启动 ， 并 根据 P L C的输入信 号来控制输 出频率 ， 从而控制电动机转速 。 煤矿电动机应急调速系统工作原 理如图 2所 示 。若 电动机在原始变频器故 障后处于转动状态 ， 则切 换系 统 中的锁相 环 同步控 制器 。 当锁相 环 同步 控制 器检 测到应 急 变 频装 置 与 电动 机 同频 同相 时 ， 将应急变频装置与电动机 的接触器闭合 ， 从而实现 应急变频装置对 电动机转速 的稳定控制 ； 若 电动机 在原始变频器故障后处于停止状态 ， 则采用应急变 频装 置重 新启 动 电动机 。 电动机 1 电动机 2 图 1 煤矿电动机应急调速系统结构 频率给定 统 图 2 煤 矿 电动 机 应 急 调 速 系 统 工 作 原 理 2系统硬 件设 计 2 ． 1 应 急 变频 装 置 应急变频装置为交一 直一 交结构 ， 其电路结构如 图 3 所示 。该装置主要 由主 电路和控制 电路组成 ， 其 中主电路包括整流器、 直流侧滤波器、 逆变器 。整 流器用于将三相交流信号转换成直流信号 ， 直流侧 滤波器用于吸收整流侧和逆变侧 的脉动电压 ， 逆变 器则用于将直流信号转换成交流信号。控制电路由 转速检测电路、 运算电路 、 驱动电路和保护电路等组 成 。检测电路主要用于检测 系统的电压 、 频率等信 2 0 1 6年 第 1 1期 阮 文韬 煤 矿 电动机 应 急调速 系统设计 5 7 息 。运算电路主要负责处理反馈信号 ， 得到输 出信 号 的参 考值 。驱 动 电路 用 于控 制 开 关 器 件 的 通 断 。 保 护 电路用 于保 护变频 器 和 电动机 。 频率、电压 不可 调的交流电 萋 [] 嘉 l 保护电路 图 3 应 急变频装置电路结构 2 ． 2 PI C主控 单 元 P L C主控单 元 结构如 图 4所示 。 按钮 选择开关 位置开关 电源 转速 检测 电路 接触器 电磁 阀 指示灯 供 电 图 4 P L C主控单元结构 2 ． 3切 换装 置 用应急变频装置替代故障变频器控制 电动机转 速 ， 需采用切换装置， 其 电路结构如图 5所示。 M 图 5 切换装置 电路结构 3系统 软件 设计 要 使 煤 矿 电 动机 应 急调 速 系 统快 速 、 稳 定 地 投 入 运 行 ， 应 急变 频装 置必 须具有 较 快 的启 动 速度 ， 以 便及时代替原故障变频器 。 3 ． 1 主 程序 煤矿 电动 机应 急调 速系统 主程 序流 程 如 图 6所 示 。当 P L C主控单元检测到原变频器发生故障时， 实时启动应急变频装置 。应急变频装置导人原变频 器的参数和工作频率参数 ， 然后将模糊 P I D子程序 导人其控制系统。 3 ． 2 P L C主控 单元 切换 程序 P L C主控单元 切换程序流程 如图 7所示 。首 先判断原变频器故 障后 电动机是否停机 ， 若 电动机 处于停机状态 ， 则切换程序重新启动电动机 ； 若电动 机没有停机 ， 在故障变频器停止工作后 ， 延时 2 S ， 启 动 应急 变频 装置 并 封 锁其 输 出 ， 通 过 锁 相 环 同步控 制器检测应急变频装置相位和频率是否与电动机一 致 ， 一旦检测到同频同相 ， 则切换程序通过控制接触 开 关控 制 电动机 继续 工作 。 图 6 系统主程序流程 图 7 P L C主控单元切换程序流程 4仿 真验 证 为验证 煤矿 电动 机应 急变 频调 速 系统 的快速 响 应 能力 ， 在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k环境 下 建 立 系统 模 型 ， 如 图 8所 示 。具 体 参 数 如 下 额 定 功 率 P 一 2 0 0 k W ， 额定 电压 U 一3 8 0 V， 频 率 f一5 0 Hz ， 定 子 电感 L一2 0 mH， 定子 电阻 R一0 ． 0 3 Q， 转子 电感 L 一 1 9 mH， 转子 电阻 R 一0 ． 0 2 6 Q， 转 动 惯 量 J 一 2 ． 5 6 k g I n ， 直 流 电 压 U 一 9 0 0 V， 电 磁 常 数 T一 0． 01 6。 原变频器在 0 ． 5 S 时发生故障情况下的电动机 输 出电流 i 和转速 曲线如 图 9所 示 。从 图 9可 看 出 ， 原 变频 器故 障前 ， 电动机 的 电流和转 速都 处 于稳 5 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 信号提 取 磁链调节 图 8 Ma t l a b ／ S i mu l i n k仿真模 型 图 9 原 变频 器故 障情况下 的电动机输 出电流和转速曲线 定运行状态 ； 发生故障时 ， 电动机 电流降为 0 ， 转速 也逐渐下降 ， 直至电动机处于停机状态。 以图 9 所 示 的 电动 机 停 机 状 态 为例 ， 在 该 状 态 下 投入 应急 变频 装置后 的 电动机 输 出电流 和转 速 曲 线 如 图 1 O所 示 。从 图 1 0可 看 出 ， 应 急 变 频装 置 开 始时处于封锁状态， 电动机处于停机状态 ， 输出电流 为 0 ； 0 ． 5 s时开始启 动电动机并 接人应 急变频装 置 ， 电动机转 速缓 慢 上 升 ， 直 至 达 到额 定 转 速 ； 电动 机输出电流 由开始较大的启动电流过渡到稳定运行 状 态下 的 电流 ， 说 明煤矿 电动 机 应 急 变 频调 速 系 统 具 有快 速响应 能力 。 4 0 0 2 0 0 ≤0 - 2 0 0 - 4 0 0 。 _ 【 j■■■■■■■■■ _ ． 一 I 图 1 O 投入应急变频装置后 的电动机输出电流和转速曲线 5 结语 介绍 了一种 煤矿 电动 机应 急调速 系统 的整体 设 计 ， 在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k平 台对 系统 可行性 进行 了 验证 。仿真结果表 明， 该系统在原始变频器故障 的 情况 下 ， 能够快 速接 入应 急变频 装置 ， 具有 较好 的调 速性 能 。 参考文献 1- 1 3 张 奎， 雷勇． 无刷直流 电机智能 P I D控制系统建模 与仿 真 f- J 3 ． 测 控技 术 ， 2 0 1 5 ， 3 4 4 8 1 8 4 ． E 2 ] 王赞 ， 王红平． 基 于 MA TL A B ／ S i mu l i n k的交流 电机建 模 与仿 真I- J ] ． 机械工程师 ， 2 0 1 5 2 2 5 2 6 ． [ 3 ] 韦汉 培 ， 王超 ， 张懿 ， 等． 基于 D S P的永磁 无刷 直流 电 动机变频 调 速 控制 系统 [ J ] ． 变 频 器 世 界 ， 2 0 1 5 6 4 6 48． [ 4 ] 张斌斌 ， 殳 国华 ， 丁君武． 基 于 AR M 的交流异 步 电机 控制与馈 电系统 设 计[ J ] ． 电 气 自动化 ， 2 0 1 5 ， 3 7 5 1 3． [ 5 ] wU B ． 大 功率 变频 器及交 流传 动[ M] ． 卫三 民 ， 苏位 峰 ， 宇 文博 ， 译． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 李 定 川 I ． P L C结构 原 理 功 能 与应 用 I- J ] ． 智 慧 工 厂 ， 2 0 1 5 1 2 4 5 - 4 7 ． I- 7 ] 窦艳艳 ， 钱 蕾 ， 冯金龙． 基 于 Ma t l a b的模糊 P I D控制系 统设计及仿真[ J ] ． 电子科技 ， 2 0 1 5 ， 2 8 2 1 1 9 1 2 2 ． [ 8 ] 杨璐， 雷菊阳． 基于 MA TL AB的参数自整定模糊 P I D 控制器的两种设计方法[ J ] ． 计算机 测量与控制 ， 2 0 1 5 ， 2 3 4 1 2 1 2 1 2 1 4 ．