變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用研究

趙 亮，韓寶虎，屠鳳釗

(國能寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

礦產是我國社會生產發展中必不可少的資源，為了實現可持續發展的長遠目標，節能降耗的生產要求需要落實在生產生活的各個方面[1-2]。礦山的開發與產品的運輸過程中，存在大量的資源消耗問題，特別是電力能源的消耗過多，大量的電力設備運作造成了電力能源的過度消耗與資源浪費，對礦產企業和社會的經濟效益與生態效益都造成了極大的影響，不符合我國當前的新時代發展要求，因此，變頻調速逐漸成為礦山應用技術研究中的熱點[3-4]。

變頻技術是一種把直流電逆變成不同頻率的交流電的轉換技術。其可把交流電變成直流電后再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流電變成交流電后再把交流電變成直流電。隨著科學技術的發展和社會生產的需求，無論工業生產或者生活日用，都能見到變頻器的應用。變頻技術以其高性能、低成本、節能降耗等優勢得到市場的青睞，在大型電力設備中得到廣泛應用。在礦山企業的生產活動中，大型的機械電力設備(如運輸器、提升機、風機、水泵等)都可以通過應用變頻技術來進行改造提升[5]。

本文主要闡述了變頻技術在自動控制方面的優勢，介紹了變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的原理與相關裝置，并通過設計相應的應用方案和具體的實驗研究，對變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用進行了全面的研究分析。

1 變頻技術自動控制優勢分析

變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制應用中的優勢，主要有以下幾個方面。

(1)通過自動調整直流電與交流電的轉換，能夠最大程度減少電力能源的額外損耗，充分發揮電力能源的經濟效益。

(2)變頻技術能夠較為智能化、自動化地控制電力設備的運輸速度與運行時間，提高整個運輸系統的工作效率，有利于礦山運輸工作的高效性和穩定性。

(3)技術操作難度便于應用控制，安裝過程較為簡單，且成本較低，適用性強，能夠在多種電力設備中得到應用安裝，而且出現故障時維修過程也比較簡單，便于應用和維修。

(4)變頻技術具有較強的靈活性，能夠根據電力設備的實際情況進行不同的參數設置，使變頻裝置與電力機械能夠達到很好的配合狀態，進而提高機械的工作效率。

(5)通過實施矢量控制的閉環方式，能夠使運輸機在啟動時就能獲得較高的轉矩，同時具有良好的調速性能與制動性能，能夠自動分析運輸機工作情況，并相應進行工作速度控制，防止意外情況造成機械故障損失[6-7]。

2 基于變頻技術的運輸棧橋自動控制

2.1 變頻技術原理

變頻器內部結構如圖1所示。

圖1 變頻器內部結構

變頻器的起動電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動轉矩為80%～120%額定轉矩；變頻電源的整個電路由交流轉變為直流，再轉變為交流，最終轉化成平滑濾波，因此，其輸出的電壓和電流波形均為純正的正弦波[8-9]。變頻電源電路如圖2所示。

圖2 變頻電源電路

電流經過變頻裝置后，電壓及功率相應發生變化，具體變化數值可通過公式計算。定子電壓的計算公式如式(1)所示：

U=E+IR

(1)

其中，I為電流，A；R為電子電阻，Ω；E為感應電勢，V。由此可見，電流與電阻為主要變量，影響定子電壓的數據變化。而感應電勢的數值計算公式如式(2)所示：

E=kfX

(2)

式(2)中，k為常數；f為頻率，Hz；X表示電磁通，Wb。當電流功率較小時，電磁通也會相應減小。根據上述公式能夠得到電流經過變頻器逆變之后的電壓數據變化情況。

2.2 信號控制

變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制的應用需要匹配信號裝置對礦山生產活動進行信號控制。在礦山運輸棧橋進行運輸工作時，運輸機的運行狀態、周圍環境的干擾信號及礦山后臺總控制系統的相關指令等多種信號，都需要信號控制裝置進行檢測分析。通過信號傳感器，將各種信號信息采集并傳輸至信號控制裝置的處理程序中，對信號數據信息內容以及相關操作等情況進行邏輯分析與相關性運算，檢測是否存在異常信號。經過信號控制系統檢測后，正常的信號數據可以繼續進行相關運作；一旦出現檢測異常的信號信息，檢測系統將發出報警信號，通過通信系統將故障信息傳輸給總控制中心和相關工作人員，并啟動相應的信號處理程序對異常信號進行故障檢驗和維修處理，根據異常信號的類型檢測出機械設備中對應的可能存在故障的部分，對其進行故障檢測[10-12]。信號控制系統還能夠提取設備相關的參數與工作狀態信息數據，便于對設備故障進行維修。變頻信號如圖3所示。

圖3 變頻信號示意

2.3 驅動裝置

基于變頻技術的運輸棧橋自動控制驅動裝置需采用交流變頻驅動裝置，本文研究選用的是適用于標準電流電壓的ACS800交流變頻器。礦山運輸棧橋在自動工作狀態時，變頻器通過控制電力半導體器件的開關狀態，調整電流輸入的電流與電壓的波形，通過二極管等器件消除電流流動過程產生的信號干擾[13-14]。驅動裝置如圖4所示。

正常流動的電流能量通過逆變側的半導體回流到直流電路中，如圖5所示。如果電路整體電壓超過了變頻裝置的電壓設定范圍上限，超出范圍的電流能量將流入支線部分，通過逆變器的半導體部件將直流電轉化成交流電，經過逆變側半導體回流到電網中，如圖6所示[15]。變頻裝置的整流器將根據相應的電壓范圍設定情況調整電流的流動狀態，進而在條件允許的情況下，盡可能節約電力能源消耗，以達到節能減排的工作目標。

圖5 輸入電流電壓波形

圖6 回流電流電壓波形

3 礦山運輸棧橋自動控制中變頻技術應用方案

傳統的礦山運輸棧橋控制方案存在以下幾方面問題：

(1)觸控點控制問題。由于礦山運輸棧橋控制系統采用的是適用于大容量運輸的控制開關，其控制范圍較大，工作人員與機械設備的維修人員在進行具體細節工作時，對開關的操控難度比較大，容易影響整體運輸系統的工作。因此，運輸棧橋控制開關觸控點問題是目前轉子回路控制方案制定時需要解決的重要問題。

(2)調速控制問題。根據前文所述，控制系統的控制范圍較大，控制區域劃分難以顧及到細節處，對于局部小范圍的控制無法達到精準的控制水平。因此，在方案需要涉及細節的、具體的運輸速度控制時，運輸棧橋的控制開關可能無法實現方案的目標要求，對于速度和加速度的控制調整結果也由于硬件設備的缺陷而無法達到工作人員的理想狀態。

(3)工作效率問題。礦山運輸棧橋在較低的速度狀態下運行時，其電力能源消耗量較大，雖然通過變頻技術裝置電流運輸狀態進行了改善，但是在低速運行時，運輸棧橋所需的電力能源要高于正速度或較快速度運輸所需的電力能源，同時產生的電阻消耗功率也比較大，因此，導致運輸棧橋的工作效率降低，電力能源也產生額外的損耗。

(4)運輸棧橋的性能弱化問題。利用轉子回路調速控制方法進行方案制定時，雖然注重了電力能源電阻的功率降低，但是也導致了運輸棧橋的機械設備性能無法達到最佳狀態。所以這種方案在電阻功率方面節省了能源消耗，但在設備運行方面的效率也相對降低。

針對以上問題分析，設計制定了礦山運輸棧橋自動控制中變頻技術應用方案。

3.1 轉子回路調速控制

在礦山運輸棧橋自動控制變頻技術應用方案中，首先要進行轉子回路調速控制。在礦山運輸棧橋進行運輸工作的過程中，為了使運輸速度變化保持平穩狀態，需要利用變頻技術使運輸機內部電流轉換器進行一定的吸合作用，降低轉子回路的線路電阻，使運輸機的速度變化相對保持穩定。同理，如果需要降低運輸棧橋的運輸速度，則需要加大轉子回路的線路電阻。如果需要對運輸棧橋減速段的運輸狀況進行改善，調整其運輸速度和負重情況，那么需要采用動力制動辦法，即通過切斷轉子回路定子側的電源線路，將交流電改為直流電，即可改善運輸減速段的運輸狀況。轉子回路內部主站板如圖7所示。

圖7 轉子回路內部主站板示意

通過轉子回路調速控制進行電流變頻調速的公式為：

式(3)中，φ為變頻控制的電流磁通，Wb；N1為此時電流繞組的匝數；f1為此時的電源頻率，Hz；U1為此時的電壓值，V。由公式(3)能夠計算出此時刻的電流變頻調速結果，然后需要通過模糊控制進一步加強自動控制的應用性能。

3.2 模糊控制

模糊控制主要是利用控制系統的二維變量輸入程序，實時檢測運算運輸過程的誤差變化率。并通過運輸狀態監測系統，獲取關于運輸棧橋工作過程中的各方面參數和變量，然后利用運算得到的誤差變化率進行誤差信號數據計算，見公式(4)。

式(4)中，J為誤差變化數據，Kb；i為參數樣本數量，Kb；n為樣本總量，Kb；u為誤差變化率，%；x為參數數值；c表示相關變量數值。

將運算所得的數據信息轉化為模糊數據，經過模糊矩陣運算處理得到運輸棧橋工作狀態的各部分模糊信號變化，模糊矩陣運算見公式(5)。

式(5)中，參與運算的依舊為上述運輸設備某一方面的變化情況，運算變量轉變為參數的模糊數據變量，j表示模糊數據變量的樣本數量，m表示模糊數據的相關性系數。根據該公式能夠得到運輸棧橋工作狀態的各部分模糊信號變化，通過變頻裝置對運輸裝置的模糊控制變量進行精確控制。模糊控制如圖8所示。

圖8 模糊控制

基于模糊控制的變頻技術應用方案，主要采用的是模糊控制的相關原理與技術，是非線性的控制技術，因此其控制范圍較大，而且能夠靈活調整控制范圍，能夠根據工作所需進行適當的范圍調整。同時，非線性的控制操作相比于傳統的線性制方法具有較大的便利性，所需的控制線路相對減少，控制裝置結構簡單，便于控制工作清晰有序的進行。

3.3 直接轉矩控制

直接轉矩控制應用方案主要利用運輸機械工作狀況的相關情況，進行瞬間矢量運算，設定更具體的運輸機速度控制范圍，如式(6)與式(7)。

式(6)(7)中，Mmax為直接轉矩數值上限，P/n；Mmin為直接轉矩數值的最小值限制，P/n；P為運輸棧橋負荷量，kW·h；H為運輸高度，m；Q為運輸機械自身重量，t；D為直接轉矩的直徑，m；m表示運輸距離矢量參數，m；md表示變頻后的運輸矢量數據，Kb。

通過式(6)(7)運算得到運輸機械的具體控制數據值域，并將所得數據與目標設定數據進行比較，分析相關性與差距所在，然后有針對性地對其進行控制運算，運輸速度控制的計算公式如式(8)所示。

V≤kQ+P(H-2x)-∑m-md≤rV

(8)

式中，V表示控制速度，m/s；x為相關參數數值，m/s；r表示此時電流的轉子電阻定額，是固定常數。

根據式(8)能夠得到自動控制運輸速度的值域，以便更精準地對控制目標進行相關操作。直接矩陣控制流程如圖9所示。

圖9 直接矩陣控制

結合了直接轉矩控制的應用方案的應用效果比較好，能夠將自動控制系統的運作與運輸棧橋的實時工作情況聯系起來，控制效果更精準。而且控制流程比較簡單，其操作反應較為靈敏，操作速度與效率較高，有利于運輸控制系統整體工作效率的提升。相對于其他方法來說，直接轉矩控制應用方案是一種綜合性能較高的控制應用方法，能夠在規模較大、對安全性要求較高的礦山運輸控制工作中得到更廣泛應用。

4 實驗研究

為了檢驗本文研究的變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用效果，本文設計了實驗研究，選用了傳統的基于PLC的礦山運輸監測控制系統與基于GPS的礦山運輸機械控制系統進行了對比實驗，對三種控制技術的精準度進行了研究分析。煤礦運輸網絡如圖10所示。

圖10 煤礦運輸網絡示意

根據上圖對變頻技術和傳統技術進行實驗對比。輸送功率值如圖11、圖12所示。

圖12 控制精度實驗結果

礦山的運輸棧橋在運行過程中，運輸機械會產生一定程度的損耗，機械的軸承、滾筒和帶面等設備部件會隨著運輸工作而產生摩擦，運輸速度越快，設備部件之間產生的摩擦就越多，造成的機械磨損就越大。同時，損耗程度也受運輸負載量的影響，當運輸棧橋的運輸量較大時，運輸設備受力越大，產生的物理損耗就越多，并且為了達到一定的運輸效率，運輸速度會相應增加，因此造成運輸電能消耗也隨之增加。本文研究的控制系統在同樣的運輸情況下，能夠有效調節電能的使用情況，使單位條件下的運輸功率相比于傳統技術要低很多。

本文研究的變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制系統比傳統的控制系統操作精準度更好。由圖12中數據可見，運輸棧橋在降速的運輸狀態時，精準度受到的影響較大，操作精準度結果與勻速和加速時都存在一定差距；而運輸棧橋處于勻速的工作狀態時，控制系統的控制精準度最高。

本文研究的控制系統在運輸棧橋勻速工作時的控制精準度達到了98.1%，在降速運輸時控制精準度最低，但也達到了95.6%，精準度控制水平總體都在95%以上，可見變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用效果十分良好，與礦山運輸系統的適配性也比較高。

基于PLC的礦山運輸監測控制系統的控制精準度結果比較均衡，說明該控制系統的檢測水平比較穩定，但是其精準度并不是很高，在運輸棧橋勻速運輸時的控制精準度也只是89.1%，可見這一控制系統的控制能力相對較弱，難以實現較為復雜的運輸棧橋控制任務?；贕PS的礦山運輸機械控制系統主要是利用GPS技術來實現機械控制的，本身就容易受到時間差異和空間距離等因素影響，導致檢測結果誤差較大，進而導致運輸棧橋的控制精準度也相對較低，在降速運動時精準度最低為79.6%，而且其精準度差異較大，說明其控制效果不是很穩定。綜上所述，變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用效果更好。

5 結 語

通過實驗研究證明了應用了變頻技術的礦山運輸棧橋自動控制系統具有較高的控制精準度，可見變頻技術在礦山運輸棧橋自動控制中的應用效果良好。變頻技術能夠對礦山運輸等相關方面的應用起到一定的積極作用，有利于我國礦山行業的智能化、現代化發展。