異步電機矢量控制技術在礦井通風機監測和調節系統中的應用

吳亞南

（華陽集團機電設備管理中心，山西 陽泉 045008）

引言

礦井通風機系統被稱為“礦井肺臟”，能給礦井提供足夠的新鮮空氣，調節礦井內部環境的濕度和溫度，稀釋或排除井下的有毒氣體和粉塵。當礦井通風系統運行發生意外時，將直接影響礦井的正常運行和井下工作人員的生命安全，因此，建立安全高效穩定的礦井通風機監測和調節系統是十分必要的。礦井通風機系統由電動機、聯軸和風機組成，一般由三相異步電動機帶動風機給礦井通風。前期多采用人工監控方式監測通風機的運行狀態，可靠性低、能耗高、人工成本高，因此，建立自動化的礦井通風機監控調節系統是一個重要的研究課題，它可以實現在線監測、遠程控制、自動報警、數據聯網等功能。由于目前礦井采用恒定轉速的電動機，風機輸出量不變，無法滿足實時調節風速的要求，并且效率低、電能消耗大[1]。而通過交流電動機能夠調節風機的風速，一般采用變頻調速，實現變頻調速的三種方式有U/F 控制方式、矢量控制方式和直接轉矩控制，其中矢量控制方式具有良好的動靜態性能，廣泛應用于礦井通風系統交流電機的調速[2]。本文提出了一種以PLC 為核心的智能通風機化監測和調節系統，該系統采用了先進的異步電機矢量控制技術，同時為改善矢量控制對參數的敏感性，引入了具有強魯棒性的變結構控制理論[3-4]，提高監控系統的穩定性和可靠性，節約了能源。

1 通風機監測和調節系統的構成

圖1 所示為通風機的監測和調節系統結構圖，該系統由上位機和下位機組成，下位機負責數據采集、狀態判斷和輸入輸出控制，上位機負責數據存儲和分析處理、狀態顯示和打印輸出，通過該系統地面工作人員能夠準確掌握通風機的工作狀態，實現遠程監控。監測系統主要任務是通過溫度、壓力等傳感器實時采集關鍵部位的溫度、壓力和風量，調節系統的主要任務是基于監測系統對風機風量的監測，根據不同的生產條件，通過變頻技術來調節電動機的轉速，達到對風量的靈活控制。圖1 為通風機的控制系統，與監測系統不同的是，調節系統添加了變頻器，將額定的工作頻率轉變成目標頻率的交流電源，然后實現電機的變速運行。系統硬件采用西門子S7-300 系列PCL，CPU 為CPU312，擴展模塊為EM332；PLC 組態的編譯由STEP7 編程軟件完成，上位機人機界面使用WinCC 編譯，上、下位機的通訊由MPI 通信協議完成，經濟實用。

圖1 礦業通風機監控和調節系統結構圖

2 異步電機矢量控制技術的研究

2.1 異步電機的矢量模型的建立

電機速度控制的關鍵是電磁轉矩，直流電機由于電樞電流Ia和轉矩電流If不存在耦合關系，任意單一變量就可以控制電磁轉矩，而交流電機含有多個變量，耦合情況復雜，因此需要對變量解耦才能控制電磁轉矩，這也是矢量控制的核心。本文基于坐標系變化理論，將原先a-b-c 坐標系下的異步電機模型轉換為d-q-n 坐標系，雖然消除了電感系數Laf的影響，但是無法實現與直流電機相似的控制效果；再將轉子磁鏈定位在d 軸上，在轉子的恒磁鏈約束條件下，電機方程得到明顯簡化，轉矩、端電壓、q 軸電流變量等均可直接由電源頻率和轉差頻率表示，實現了轉矩的解耦，得出了基于轉子磁鏈定向的矢量控制模型，達到了與直流電機相似的控制效果，將該模型應用于鼠籠異步電機變頻調速系統的設計，分別得出了電壓型和電流型的控制理論。

2.2 異步電機的矢量模型的Matlab 仿真結果

在Matlab 仿真軟件設置鼠籠式異步電機的運行參數：包括額定頻率、額定電壓、定子和轉子相繞組電阻等。先輸入給定轉速值1 500 r/min，系統基于電壓型矢量控制理論，由矢量控制器分別計算出三相電源的幅、基頻角速度和初相位，而三相電源根據上述計算值生成相應的三相正弦波，再傳遞至三相電機，最終得出轉速響應和轉矩響應。本文模擬分析了開環和閉環控制的結果，根據實驗結果綜合分析，系統開環控制和閉環控制的穩態性能非常接近，但后者的動態性能要優于前者；在轉速響應方面，開環控制的調節時間為0.3 s 遠大于速度閉環控制的條件0.05 s，同時在超調量方面，閉環控制也低于開環控制；而根據不同條件的仿真波形，充分說明了矢量控制理論有利于三相異步電機的調速的控制。

2.3 異步電機矢量控制系統的優化

異步電機矢量控制系統使交流電機獲得了與直流電機相似的調速性能，滿足了現代化礦井通風系統的要求。但是由于矢量控制系統是基于電機參數進行計算的，參數值越精確，控制越準確靈敏。但是在實際運行過程中，繞組自感、電阻等參數會隨著環境溫度變化發生非線性變化，因此需要克服控制系統對參數的依賴性，提高矢量控制系統的魯棒性。本文將對參數變化不敏感的變結構引入矢量控制系統，變結構是智能控制的組成之一，確定了滑模的運動方程和達到條件，設計了滑模速度控制器，對該控制器進行了仿真模擬。根據實驗結果得知，控制系統當受到負載轉矩的擾動后能快速恢復平衡；當轉子電阻增大時，常規的矢量控制系統出現較大的波動，而具有滑模速度控制器的矢量控制系統仍然保持穩定狀態；當外界條件或系統參數不發生變化時，兩種控制系統功能相差不大。因此，滑模速度控制器的增加，提高了矢量控制系統對系統參數的變化的魯棒性，增強了異步電機矢量控制系統的優異性。

3 結論

新型的自動化通風機監測和控制系統，以PLC為核心原件，將傳感器采集的溫度、壓力和風量等參數實時傳遞至用戶，實現遠程監測；采用矢量控制技術對三相異步電機進行調速，解決直流電機效率低和消耗大的問題，用戶可根據生產需要和環境條件調節風機風速；將滑模變控制理論引入矢量控制系統，提高了電機矢量控制系統的魯棒性，克服了對參數變化敏感的缺點。仿真實驗結果表明，優化后的監控方案具有顯著的優異性。