起重機電機拖動系統負載跟蹤控制

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51175442，51005246）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2010ZT03）

作者簡介： 馬莉麗（1980-），女，博士研究生，研究方向為物流裝備理論、機電系統智能控制及其自動化、起重機節能控制，電話： 029-84562994， E-mail： malilichina@163.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0494-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.016

摘要：

為了使起重機電機拖動系統的電機以給定轉速實時跟蹤突變的負載轉矩，通過等效折算得到了起升機構電機轉子側的等效轉動慣量、等效負載轉矩和電機拖動系統動力學方程；建立了按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系；應用轉差角頻率設計了跟蹤負載轉矩的矢量變頻控制系統.實例計算表明：閉環系統的空載起動時間比開環系統快0.34 s，電機平穩起動，起動階段開環和閉環系統的峰值電磁轉矩差值達148 N·m；閉環系統電機消耗的電功率（綜合節能的百分比）小于開環系統；在起動階段，開環系統的峰值功率是閉環系統峰值功率的2.5倍.電機在空載起動階段約節能50%，平穩運行階段約節能30%.

關鍵詞：

起重機；電機拖動系統；負載跟蹤；變頻控制；電機能耗

中圖分類號： TH213；TM341文獻標志碼： A

起重機電機拖動系統由三相異步電動機（以下簡稱為電機）和傳動機構構成[1-3]，對起重機工作節能控制的關鍵是對電機的調速控制[4-5]，使電機對突變的負載轉矩具有良好的跟蹤性能[6].改變電機定子電壓調速[7]、轉子電路串電阻調速等傳統方法都屬于功率消耗型調速方法，大量的轉差功率被消耗在轉子回路.功率回饋型調速方法需要額外的功率吸收裝置，并且結構復雜[8].矢量變頻控制調速范圍大，屬于轉差功率不變型無級調速方法，結合反演控制[9-10]、魯棒控制[11]、逆系統[12]及變結構控制[13]等控制理論和方法，可應用于對調速性能要求較高的場合.實驗證明，采用矢量變頻調速運行的系統的平均節電率一般在30%～40%，尤其應用于大容量的風機、水泵等恒功率負載，節能效果更加明顯.但對于具有恒轉矩負載特性的起重機電機拖動系統，要求電機調速的同時必須實時跟蹤負載的突變，才能實現在起重機電機拖動系統調速的同時達到電機節能控制的目的.文獻[9-13]中采用調速方法并不能達到上述目的.為此，本文針對起重機電機拖動系統設計了基于轉差角頻率控制的負載轉矩跟蹤系統，通過負載轉矩跟蹤控制系統控制電機定子電源角頻率，實現電機在起重機工作時以給定的轉速穩定運行，并且電機電磁轉矩能在負載突變的瞬時跟蹤突變的負載轉矩.

1

起重機電機拖動系統動力學方程

2

負載跟蹤控制系統設計

3

實例計算

為了驗證電機以恒定轉速運行和對起重機負載的跟蹤性能，對無控制系統（簡稱開環系統）的實際系統和閉環系統進行對比驗證.

由圖7可以看出，開環系統中電機定子電壓有效值恒為380 V，轉子電角速度變化引起轉差角頻率變化，控制定子電壓的有效值隨電機轉速上升逐漸增大，所以開環系統電機消耗的電功率大于閉環系統電機消耗的電功率，尤其是在空載起動階段，前者峰值功率約為后者的2.5倍.經計算，在空載起動階段電機節能約50%，平穩運行階段電機節能約30%，采用負載跟蹤控制系統的電機節能效果明顯.

4

結束語

基于轉差角頻率矢量變頻控制的電機能按照給定的轉速穩定運行，并實現電機電磁轉矩對突變負載轉矩的快速跟蹤.計算實例驗證了負載轉矩跟蹤閉環控制系統設計的有效性.閉環系統的空載起動時間比無控制的開環系統快0.34 s，并且電機平穩起動，電磁轉矩對電機拖動系統具有較小的沖擊作用，起動階段兩者的峰值電磁轉矩差值達148 N·m.閉環系統電機消耗的電功率小于開環系統電機消耗的電功率，尤其是在起動階段的峰值功率，后者是前者的2.5倍.電機在空載起動階段約節能50%，平穩運行階段約節能30%，電機具有明顯的節能效果.

參考文獻：

[1]鐘斌. 橋門式起重機吊重擺角軟測量及仿真研究[J]. 系統仿真學報，2011，23（9）： 1985-1989.

ZHONG Bin. Research on loads swing angle soft measure and simulation for overhead or gantry crane[J]. Journal of System Simulation， 2011， 23（9）： 1985-1989.

[2]鐘斌，程文明，吳曉. 橋門式起重機吊重防搖狀態反饋控制系統設計[J]. 電機與控制學報，2007，11（5）： 492-496.

ZHONG Bin， CHENG Wenming， WU Xiao. Design of the state feedback control system for the loads anti-swing of overhead crane [J]. Electric Machines and Control， 2007， 11（5）： 492-496.

[3]鐘斌. 鐵路集裝箱起重機液壓減搖系統結構參數研究[J]. 中國鐵道科學，2010，31（3）： 133-137.

ZHONG Bin. Research on the structure parameters of the hydraulic anti-sway system for railway container crane [J]. China Railway Science， 2010， 31（3）： 133-137.

[4]PETRUSHINA V， PETRUSHINA N S， KALENIK B. Designing of asynchronous induction machines for adjustable speed asynchronous electric drive systems[C]∥Proceedings of the International Conference on Modern Problems of Radio Engineering， Telecommunications and Computer Science. Lviv-Slavsko： IEEE Press， 2010： 203-206.

[5]LIU J Y， SHI S， HAN X H， et al. Based on the energy consumption of the smallest three-phase asynchronous motor optimize control of energy saving[C]∥Proceedings of the Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. Chengdu： IEEE Press， 2010： 1-4.

[6]ROWAN T M， LIPO T A. A quantitative analysis of induction motor performance improvement by SCR voltage contor[J]. IEEE Trans.

on Ind. Applicant， 2009， 19（3）： 543-553.

[7]馬莉麗，程文明，張則強. 鐵路集裝箱起重機異步電動機調壓節能的優化方法[J]. 中國鐵道科學，2012，33（1）： 126-132.

MA Lili， CHENG Wenming， ZHANG Zeqiang. Optimization method for voltage regulation and energy saving of the asynchronous motor of railway container crane[J]. China Railway Science， 2012， 33（1）： 126-132.

[8]崔學深，羅應立，楊玉磊. 周期性變工況條件下異步電機節能機理和節能途徑[J]. 中國電機工程學報，2008，28（18）： 90-97.

CUI Xueshen， LUO Yingli， YANG Yulei. Energy saving theory and approach for asynchronous motor under the periodically variable running condition [J]. Proceedings of the CSEE， 2008， 28（18）： 90-97.

[9]王家軍，王建中，馬國進. 感應電動機系統的變結構反推控制研究[J]. 中國電機工程學報，2007，27（6）： 35-38.

WANG Jiajun， WANG Jianzhong， MA Guojin. Variable structure control with backstepping of induction motor system[J]. Proceedings of the CSEE， 2007， 27（6）： 35-38.

[10]李淵，何鳳有，譚國俊. 雙饋電機系統滑模變結構反演控制的研究[J]. 電機與控制學報，2009，13（1）： 15-19.

LI Yuan， HE Fengyou， TAN Guojun. Study on variable structure sliding mode control with backstepping for doubly-fedmotor system[J]. Electric Machines and Control， 2009， 13（1）： 15-19.

[11]李建軍，桂衛華，張超，等. 感應電機魯棒滑模速度控制器的設計[J]. 武漢理工大學學報，2009，31（9）： 84-89.

LI Jianjun， GUI Weihua， ZHANG Chao， et al. Design of sliding model speed robust controller of induction motor[J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2009， 31（9）： 84-89.

[12]熊大為，廖冬初，歐文軍，等. BP網絡在感應電機逆系統中的模擬與仿真[J]. 武漢工程大學學報，2010，32（5）： 91-93，98.

XIONG Dawei， LIAO Dongchu， OU Wenjun， et al. The simulation and emulation of BP network in induction motor inverse system[J]. Journal of Wuhan Institute Technology， 2010， 32（5）： 91-93， 98.

[13]朱齊丹，汪瞳. 一種改進的離散時間系統變結構控制設計方法[J]. 自動化學報，2010，36（6）： 885-889.

ZHU Qidan， WANG Tong. An improved design scheme of variable structure control for discrete-time systems[J]. Acta Automatica Sinica， 2010， 36（6）： 885-889.