CN108258958A - 一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，涉及皮带机驱动整流领域，通过锁相环模块识别电网状态平衡程度，选择单同步坐标系或双同步坐标系解耦软件锁相环方法，实时跟踪电网相位，进而为变频驱动系统中的PWM整流器提供电网的相角和频率。实时跟踪电网相位，通过锁相环快速精确输出电网信息，保证PWM整流器的控制性能。

Description

一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法
技术领域
本发明涉及皮带机驱动整流领域，具体涉及一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法。
背景技术
皮带机是现代化煤矿高产高效的主要运输设备，皮带机的驱动技术形式多样，有调速型液力偶合器、固态软启动和交流变频驱动等多种方式。目前，煤矿井下皮带机对驱动技术的要求越来越高，然而现有驱动系统控制方法启动特性和调速性能差，启动转距小。同时节能环保、高可靠性、低成本等因素也被纳入控制方法的评判指标。
在三电平PWM整流器的控制系统中，设计锁相环的主要目的是为了获取电网信息，并能使输出结果及时跟踪上实际真值，从而方便控制策略和控制算法的实行。然而，在实际工程应用中，电网会出现很多非理想情况，比如三相电网电压不平衡，电网的相角突然发生变化、相电压跌落、发生短路故障、频率突变等等。锁相环电网角度的输出精度是PWM整流器正常工作的重要前提，锁相环不精直接影响了PWM整流器的控制性能。因此，现有的PWM整流器很难适应这些非正常工作状态。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，实时跟踪电网相位，通过锁相环快速精确输出电网信息，保证PWM整流器的控制性能。
提供一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，通过锁相环模块识别电网状态平衡程度，选择单同步坐标系软件或双同步坐标系解耦锁相环方法，实时跟踪电网相位，进而为整流控制系统的PWM整流器提供电网的相角和频率。
进一步，所述整流控制系统包括数字信号处理器(简称DSP)、AD采样板和现场可编程门阵列(简称FPGA)，AD采样板采集三相电压、进线电流以及直流电压信号输送至DSP进行处理，输出6路脉冲信号，FPGA将6路脉冲信号转化为12路信号，确保各功率开关管有效导通与关断。
优选的，DSP控制模块包括锁相环算法、双闭环控制策略以及空间矢量脉宽调制算法(简称SVPWM)。
进一步，在电网平衡状态下，选用单同步坐标系软件锁相环方法；在电网发生突变导致不对称时，选用双同步坐标系解耦软件锁相环方法。单同步坐标系软件锁相环方法程序量少，DSP处理速度快，动态和稳态下均能快速跟踪电网信息。电网不对称时，单同步坐标系软件锁相环方法失效，基于双同步坐标系的解耦软件锁相环方法便能进一步保证实时准确地获取电网的相角和频率。
优选的，所述整流控制系统还包括触摸屏，所述锁相环模块将控制信号整合至所述触摸屏上实现参数实时显示与调整。
进一步，单同步坐标系软件锁相环方法如下：当电网电压保持平衡时，电网电压中只包含正序分量，将实际电压矢量与d-q坐标系d轴重合，当锁相环准确锁相时，经过锁相环控制输出的电压矢量的运动角度与实际电网电压矢量的运动旋转角度相同；
起始状态时，闭环控制输出电网角度估计值，结合输入幅值将对应矢量在单同步坐标系中分解得到有功分量Vd和无功分量Vq，通过闭环控制，使Vq＝0即可达到锁相目的。将Vq输入PI调节器，当频率锁定时，Vq为直流量，利用PI调节器的直流无静差调节特性，设置PI参数使Vq趋于零，实现锁相。
进一步，双同步坐标系软件锁相环方法如下：当电网电压不平衡，双同步坐标系包括两个旋转坐标系：正序dq+1坐标系的运动方向为逆时针，运动的速度为对应转过的角度为而负序dq-1坐标系则是以顺时针旋转，其角度设为此时，以角速度ω运动的电压矢量在解耦模块(简称DDSRF)下可以分解出正序和负序分量，通过双同步坐标系各自独立的闭环调节，并配置调节器参数，使
优选的，在双同步坐标系解耦锁相环中，锁相时电压矢量在正序dq+1坐标系方程和负序dq-1坐标系方程为：
优选的，所述双同步坐标系各自独立地闭环调节过程采用单同步坐标系闭环调节方法。
为了保证解耦单元的正确运行，降低干扰，在解耦模块的基础上优选地接入一阶低通滤波器(简称LPF)。
本发明所带来的综合效果包括：
1)针对皮带机变频驱动的四象限运行、高可靠性、调速范围宽等要求，本发明将高功率因数的PWM整流器应用于同步电动机驱动系统，减少现有的三相相控方法的谐波输出、提高煤矿皮带机的同步电动机功率因数，使系统更加稳定地运行。
2)本发明锁相环模块通过智能识别电网是否处于平衡状态，选择一种最为高效的锁相环方法，从而实时精准地跟踪电网相位，为整流控制系统提供必要的电网信息，实现PWM整流器的稳定运行。
3)传统的锁相环模块只能运用单一的方法，无法针对具体问题进行切换，造成运用局限或者是资源浪费，限制了PWM整流器在皮带机控制中的应用。采用智能的软件锁相环方法可以有效规避这一缺憾，大大提高了控制系统的工作效率和准确率，在保证其快速性的同时，使控制系统运行更加稳定可靠，显著降低煤矿皮带机运营及维护成本。
附图说明
图1为本发明实施例控制方法的三电平PWM整流器电路及控制系统结构示意简图。
图2为本发明实施例控制方法的锁相环模块流程框图。
图3为本发明实施例控制方法的单同步坐标系软件锁相环的矢量分析示意图。
图4为本发明实施例控制方法的单同步坐标系软件锁相环的控制原理示意图。
图5为本发明实施例控制方法的双同步坐标系软件锁相环的矢量分析示意图。
图6为本发明实施例控制方法的双同步坐标系软件锁相环的控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步解释说明，但应理解，本发明的范围不限于此。本实施方式中DSP(即数字信号处理器)采用德州仪器(Texas Instruments，TI)公司的TMS320F28335DSP，FPGA(即现场可编程门阵列)采用 ALTER公司的EP2C8Q20818NFPGA。
实施例
一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，通过锁相环模块识别电网状态平衡程度，选择单同步坐标系软件或双同步坐标系解耦锁相环方法，实时跟踪电网相位，进而为整流控制系统的PWM整流器提供电网的相角和频率。
如图1所示，所述整流控制系统包括DSP、AD采样板和FPGA，AD采样板采集三相电压、进线电流以及直流电压信号输送至DSP进行处理，输出6路脉冲信号，FPGA将6路脉冲信号转化为12路信号，确保各功率开关管有效导通与关断。DSP控制模块包括锁相环算法、双闭环控制策略以及SVPWM。所述整流控制系统还包括触摸屏，所述锁相环模块将控制信号整合至所述触摸屏上实现参数实时显示与调整。
如图2所示，在电网平衡状态下，选用单同步坐标系软件锁相环方法；在电网发生突变导致不对称时，选用双同步坐标系解耦软件锁相环方法。单同步坐标系软件锁相环方法程序量少，DSP处理速度快，动态和稳态下均能快速跟踪电网信息。电网不对称时，单同步坐标系软件锁相环方法失效，基于双同步坐标系的解耦软件锁相环方法便能进一步保证实时准确地获取电网的相角和频率。
如图3所示，单同步坐标系软件锁相环方法如下：当电网电压保持平衡时，电网电压中只包含正序分量，图中，V代表实际的电网电压矢量，VPLL代表经过锁相环控制结构输出的电压矢量，θ是实际电网电压矢量的运动旋转角度，是经过锁相环控制输出的电压矢量的运动角度。将实际电压矢量与d-p坐标系d轴重合。锁相环达到锁相状态时，VPLL与V完全重合，此时经过锁相环控制输出的电压矢量的运动角度与实际电网电压矢量的运动旋转角度θ相同。
如图4所示，起始状态时，闭环控制输出电网角度估计值，结合输入幅值将对应矢量在单同步坐标系d-q坐标中分解得到有功分量和无功分量，通过闭环控制，将Vq输入PI调节器，当频率锁定时，Vq为直流量，利用PI调节器的直流无静差调节特性，设置PI参数使Vq趋于零，实现锁相。
如图5所示，双同步坐标系软件锁相环方法如下：当电网电压不平衡，双同步坐标系包括两个旋转坐标系：正序dq+1坐标系的运动方向为逆时针，运动的速度为对应转过的角度为而负序dq-1坐标系则是以顺时针旋转，其角度设为此时，以角速度ω运动的电压矢量在解耦模块下可以分解出正序和负序分量，通过双同步坐标系各自独立的闭环调节，并配置调节器参数，使所述双同步坐标系各自独立地闭环调节过程采用单同步坐标系闭环调节方法。
优选的，在双同步坐标系解耦锁相环中，锁相时电压矢量在正序dq+1坐标系方程和负序dq-1坐标系方程为：
并且，为了保证解耦单元的正确运行，降低干扰，在解耦模块的基础上接入 LPF。
现场工业性试验
将本实施例皮带机驱动系统控制方法应用于东滩煤矿井下皮带运输机。经实际统计测量，①节能方面：井下B皮带机运行由2台160kW的电机改造为由变频器控制的1台250kW的永磁同步电机，使用后大大降低现场工作人员的检修和维护工作量。变频运行的皮带机，由原来的每年电耗72万元降为50万元，平均节能达到约30％；②设备投入：使用变频器控制永磁电机驱动皮带机，省去了中间的减速箱及液力耦合器等环节，比传统的驱动方式减少资金投入约18％。
现有皮带机每年总消耗电能约339万度，使用该技术后仅节约电能消耗：339 万度/年×0.6元/度×30％＝610200元/年，为企业带来了显著的经济效益。虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (10)

1.一种应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，通过锁相环模块识别电网状态平衡程度，选择单同步坐标系软件或双同步坐标系解耦锁相环方法，实时跟踪电网相位，进而为整流控制系统的PWM整流器提供电网的相角和频率。
2.根据权利要求1所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述整流控制系统包括数字信号处理器、AD采样板和现场可编程门阵列，AD采样板采集三相电压、进线电流以及直流电压信号输送至数字信号处理器进行处理，输出6路脉冲信号，现场可编程门阵列将6路脉冲信号转化为12路信号，确保各功率开关管有效导通与关断。
3.根据权利要求2所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，数字信号处理器控制模块包括锁相环算法、双闭环控制策略以及空间矢量脉宽调制算法。
4.根据权利要求1所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，在电网平衡状态下，选用单同步坐标系软件锁相环方法；在电网发生突变导致不对称时，选用双同步坐标系解耦软件锁相环方法。
5.根据权利要求2所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述整流控制系统还包括触摸屏，所述锁相环模块将控制信号整合至所述触摸屏上实现参数实时显示与调整。
6.根据权利要求5所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，单同步坐标系软件锁相环方法如下：
当电网电压保持平衡时，电网电压中只包含正序分量，将实际电压矢量与d-q坐标系d轴重合，当锁相环准确锁相时，经过锁相环控制输出的电压矢量的运动角度与实际电网电压矢量的运动旋转角度相同；
起始状态时，闭环控制输出电网角度估计值，结合输入幅值将对应矢量在单同步坐标系中分解得到有功分量Vd和无功分量Vq，通过闭环控制，将Vq输入PI调节器，当频率锁定时，Vq为直流量，利用PI调节器的直流无静差调节特性，设置PI参数使Vq趋于零，从而实现锁相。
7.根据权利要求5所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，双同步坐标系软件锁相环方法如下：
当电网电压不平衡，双同步坐标系包括两个旋转坐标系：正序dq+1坐标系的运动方向为逆时针，运动的速度为对应转过的角度为而负序dq-1坐标系则是以顺时针旋转，其角度设为此时，以角速度ω运动的电压矢量在解耦模块下可以分解出正序和负序分量，通过双同步坐标系各自独立的闭环调节，并配置调节器参数，使
8.根据权利要求7所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，在双同步坐标系解耦锁相环中，锁相时电压矢量在正序dq+1坐标系方程和负序dq-1坐标系方程为：
9.根据权利要求8所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述双同步坐标系将不平衡电网的正负序分量分别提取出来，从而有效避免负序分量引起的2次谐波对锁相环控制的影响。
10.根据权利要求7所述的应用于煤矿皮带机驱动系统的控制方法，其特征在于，各所述解耦模块后接有一阶低通滤波器。
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