趙 亮，韓寶虎，屠鳳釗

(國能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

礦產(chǎn)是我國社會生產(chǎn)發(fā)展中必不可少的資源，為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)，節(jié)能降耗的生產(chǎn)要求需要落實(shí)在生產(chǎn)生活的各個(gè)方面[1-2]。礦山的開發(fā)與產(chǎn)品的運(yùn)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(shè)備運(yùn)作造成了電力能源的過度消耗與資源浪費(fèi)，對礦產(chǎn)企業(yè)和社會的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益都造成了極大的影響，不符合我國當(dāng)前的新時(shí)代發(fā)展要求，因此，變頻調(diào)速逐漸成為礦山應(yīng)用技術(shù)研究中的熱點(diǎn)[3-4]。

變頻技術(shù)是一種把直流電逆變成不同頻率的交流電的轉(zhuǎn)換技術(shù)。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(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生產(chǎn)的需求，無論工業(yè)生產(chǎn)或者生活日用，都能見到變頻器的應(yīng)用。變頻技術(shù)以其高性能、低成本、節(jié)能降耗等優(yōu)勢得到市場的青睞，在大型電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。在礦山企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中，大型的機(jī)械電力設(shè)備(如運(yùn)輸器、提升機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等)都可以通過應(yīng)用變頻技術(shù)來進(jìn)行改造提升[5]。

本文主要闡述了變頻技術(shù)在自動(dòng)控制方面的優(yōu)勢，介紹了變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的原理與相關(guān)裝置，并通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用方案和具體的實(shí)驗(yàn)研究，對變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的研究分析。

1 變頻技術(shù)自動(dòng)控制優(yōu)勢分析

變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制應(yīng)用中的優(yōu)勢，主要有以下幾個(gè)方面。

(1)通過自動(dòng)調(diào)整直流電與交流電的轉(zhuǎn)換，能夠最大程度減少電力能源的額外損耗，充分發(fā)揮電力能源的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)變頻技術(shù)能夠較為智能化、自動(dòng)化地控制電力設(shè)備的運(yùn)輸速度與運(yùn)行時(shí)間，提高整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的工作效率，有利于礦山運(yùn)輸工作的高效性和穩(wěn)定性。

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

(4)變頻技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，能夠根據(jù)電力設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，使變頻裝置與電力機(jī)械能夠達(dá)到很好的配合狀態(tài)，進(jìn)而提高機(jī)械的工作效率。

(5)通過實(shí)施矢量控制的閉環(huán)方式，能夠使運(yùn)輸機(jī)在啟動(dòng)時(shí)就能獲得較高的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)具有良好的調(diào)速性能與制動(dòng)性能，能夠自動(dòng)分析運(yùn)輸機(jī)工作情況，并相應(yīng)進(jìn)行工作速度控制，防止意外情況造成機(jī)械故障損失[6-7]。

2 基于變頻技術(shù)的運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制

2.1 變頻技術(shù)原理

變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

變頻器的起動(dòng)電流為額定電流的1.2～1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為80%～120%額定轉(zhuǎn)矩；變頻電源的整個(gè)電路由交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，再轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?，最終轉(zhuǎn)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(jīng)過變頻裝置后，電壓及功率相應(yīng)發(fā)生變化，具體變化數(shù)值可通過公式計(jì)算。定子電壓的計(jì)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(yīng)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(shù)據(jù)變化。而感應(yīng)電勢的數(shù)值計(jì)算公式如式(2)所示：

E=kfX

(2)

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

2.2 信號控制

變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制的應(yīng)用需要匹配信號裝置對礦山生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行信號控制。在礦山運(yùn)輸棧橋進(jìn)行運(yùn)輸工作時(shí)，運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、周圍環(huán)境的干擾信號及礦山后臺總控制系統(tǒng)的相關(guān)指令等多種信號，都需要信號控制裝置進(jìn)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(shù)據(jù)信息內(nèi)容以及相關(guān)操作等情況進(jìn)行邏輯分析與相關(guān)性運(yùn)算，檢測是否存在異常信號。經(jīng)過信號控制系統(tǒng)檢測后，正常的信號數(shù)據(jù)可以繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)作；一旦出現(xiàn)檢測異常的信號信息，檢測系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號，通過通信系統(tǒng)將故障信息傳輸給總控制中心和相關(guān)工作人員，并啟動(dòng)相應(yīng)的信號處理程序?qū)Ξ惓Ｐ盘栠M(jìn)行故障檢驗(yàn)和維修處理，根據(jù)異常信號的類型檢測出機(jī)械設(shè)備中對應(yīng)的可能存在故障的部分，對其進(jìn)行故障檢測[10-12]。信號控制系統(tǒng)還能夠提取設(shè)備相關(guān)的參數(shù)與工作狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，便于對設(shè)備故障進(jìn)行維修。變頻信號如圖3所示。

圖3 變頻信號示意

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置

基于變頻技術(shù)的運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)裝置需采用交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置，本文研究選用的是適用于標(biāo)準(zhǔn)電流電壓的ACS800交流變頻器。礦山運(yùn)輸棧橋在自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，變頻器通過控制電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)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(dòng)過程產(chǎn)生的信號干擾[13-14]。驅(qū)動(dòng)裝置如圖4所示。

正常流動(dòng)的電流能量通過逆變側(cè)的半導(dǎo)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(shè)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(dǎo)體部件將直流電轉(zhuǎn)化成交流電，經(jīng)過逆變側(cè)半導(dǎo)體回流到電網(wǎng)中，如圖6所示[15]。變頻裝置的整流器將根據(jù)相應(yīng)的電壓范圍設(shè)定情況調(diào)整電流的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而在條件允許的情況下，盡可能節(jié)約電力能源消耗，以達(dá)到節(jié)能減排的工作目標(biāo)。

圖5 輸入電流電壓波形

圖6 回流電流電壓波形

3 礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中變頻技術(shù)應(yīng)用方案

傳統(tǒng)的礦山運(yùn)輸棧橋控制方案存在以下幾方面問題：

(1)觸控點(diǎn)控制問題。由于礦山運(yùn)輸棧橋控制系統(tǒng)采用的是適用于大容量運(yùn)輸?shù)目刂崎_關(guān)，其控制范圍較大，工作人員與機(jī)械設(shè)備的維修人員在進(jìn)行具體細(xì)節(jié)工作時(shí)，對開關(guān)的操控難度比較大，容易影響整體運(yùn)輸系統(tǒng)的工作。因此，運(yùn)輸棧橋控制開關(guān)觸控點(diǎn)問題是目前轉(zhuǎn)子回路控制方案制定時(shí)需要解決的重要問題。

(2)調(diào)速控制問題。根據(jù)前文所述，控制系統(tǒng)的控制范圍較大，控制區(qū)域劃分難以顧及到細(xì)節(jié)處，對于局部小范圍的控制無法達(dá)到精準(zhǔn)的控制水平。因此，在方案需要涉及細(xì)節(jié)的、具體的運(yùn)輸速度控制時(shí)，運(yùn)輸棧橋的控制開關(guān)可能無法實(shí)現(xiàn)方案的目標(biāo)要求，對于速度和加速度的控制調(diào)整結(jié)果也由于硬件設(shè)備的缺陷而無法達(dá)到工作人員的理想狀態(tài)。

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

(4)運(yùn)輸棧橋的性能弱化問題。利用轉(zhuǎn)子回路調(diào)速控制方法進(jìn)行方案制定時(shí)，雖然注重了電力能源電阻的功率降低，但是也導(dǎo)致了運(yùn)輸棧橋的機(jī)械設(shè)備性能無法達(dá)到最佳狀態(tài)。所以這種方案在電阻功率方面節(jié)省了能源消耗，但在設(shè)備運(yùn)行方面的效率也相對降低。

針對以上問題分析，設(shè)計(jì)制定了礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中變頻技術(shù)應(yīng)用方案。

3.1 轉(zhuǎn)子回路調(diào)速控制

在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制變頻技術(shù)應(yīng)用方案中，首先要進(jìn)行轉(zhuǎn)子回路調(diào)速控制。在礦山運(yùn)輸棧橋進(jìn)行運(yùn)輸工作的過程中，為了使運(yùn)輸速度變化保持平穩(wěn)狀態(tài)，需要利用變頻技術(shù)使運(yùn)輸機(jī)內(nèi)部電流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一定的吸合作用，降低轉(zhuǎn)子回路的線路電阻，使運(yùn)輸機(jī)的速度變化相對保持穩(wěn)定。同理，如果需要降低運(yùn)輸棧橋的運(yùn)輸速度，則需要加大轉(zhuǎn)子回路的線路電阻。如果需要對運(yùn)輸棧橋減速段的運(yùn)輸狀況進(jìn)行改善，調(diào)整其運(yùn)輸速度和負(fù)重情況，那么需要采用動(dòng)力制動(dòng)辦法，即通過切斷轉(zhuǎn)子回路定子側(cè)的電源線路，將交流電改為直流電，即可改善運(yùn)輸減速段的運(yùn)輸狀況。轉(zhuǎn)子回路內(nèi)部主站板如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子回路內(nèi)部主站板示意

通過轉(zhuǎn)子回路調(diào)速控制進(jìn)行電流變頻調(diào)速的公式為：

式(3)中，φ為變頻控制的電流磁通，Wb；N1為此時(shí)電流繞組的匝數(shù)；f1為此時(shí)的電源頻率，Hz；U1為此時(shí)的電壓值，V。由公式(3)能夠計(jì)算出此時(shí)刻的電流變頻調(diào)速結(jié)果，然后需要通過模糊控制進(jìn)一步加強(qiáng)自動(dòng)控制的應(yīng)用性能。

3.2 模糊控制

模糊控制主要是利用控制系統(tǒng)的二維變量輸入程序，實(shí)時(shí)檢測運(yùn)算運(yùn)輸過程的誤差變化率。并通過運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，獲取關(guān)于運(yùn)輸棧橋工作過程中的各方面參數(shù)和變量，然后利用運(yùn)算得到的誤差變化率進(jìn)行誤差信號數(shù)據(jù)計(jì)算，見公式(4)。

式(4)中，J為誤差變化數(shù)據(jù)，Kb；i為參數(shù)樣本數(shù)量，Kb；n為樣本總量，Kb；u為誤差變化率，%；x為參數(shù)數(shù)值；c表示相關(guān)變量數(shù)值。

將運(yùn)算所得的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)據(jù)，經(jīng)過模糊矩陣運(yùn)算處理得到運(yùn)輸棧橋工作狀態(tài)的各部分模糊信號變化，模糊矩陣運(yùn)算見公式(5)。

式(5)中，參與運(yùn)算的依舊為上述運(yùn)輸設(shè)備某一方面的變化情況，運(yùn)算變量轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)的模糊數(shù)據(jù)變量，j表示模糊數(shù)據(jù)變量的樣本數(shù)量，m表示模糊數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)。根據(jù)該公式能夠得到運(yùn)輸棧橋工作狀態(tài)的各部分模糊信號變化，通過變頻裝置對運(yùn)輸裝置的模糊控制變量進(jìn)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(shù)應(yīng)用方案，主要采用的是模糊控制的相關(guān)原理與技術(shù)，是非線性的控制技術(shù)，因此其控制范圍較大，而且能夠靈活調(diào)整控制范圍，能夠根據(jù)工作所需進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆秶{(diào)整。同時(shí)，非線性的控制操作相比于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單，便于控制工作清晰有序的進(jìn)行。

3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用方案主要利用運(yùn)輸機(jī)械工作狀況的相關(guān)情況，進(jìn)行瞬間矢量運(yùn)算，設(shè)定更具體的運(yùn)輸機(jī)速度控制范圍，如式(6)與式(7)。

式(6)(7)中，Mmax為直接轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值上限，P/n；Mmin為直接轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值的最小值限制，P/n；P為運(yùn)輸棧橋負(fù)荷量，kW·h；H為運(yùn)輸高度，m；Q為運(yùn)輸機(jī)械自身重量，t；D為直接轉(zhuǎn)矩的直徑，m；m表示運(yùn)輸距離矢量參數(shù)，m；md表示變頻后的運(yùn)輸矢量數(shù)據(jù)，Kb。

通過式(6)(7)運(yùn)算得到運(yùn)輸機(jī)械的具體控制數(shù)據(jù)值域，并將所得數(shù)據(jù)與目標(biāo)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析相關(guān)性與差距所在，然后有針對性地對其進(jìn)行控制運(yùn)算，運(yùn)輸速度控制的計(jì)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(guān)參數(shù)數(shù)值，m/s；r表示此時(shí)電流的轉(zhuǎn)子電阻定額，是固定常數(shù)。

根據(jù)式(8)能夠得到自動(dòng)控制運(yùn)輸速度的值域，以便更精準(zhǔn)地對控制目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)操作。直接矩陣控制流程如圖9所示。

圖9 直接矩陣控制

結(jié)合了直接轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用方案的應(yīng)用效果比較好，能夠?qū)⒆詣?dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作與運(yùn)輸棧橋的實(shí)時(shí)工作情況聯(lián)系起來，控制效果更精準(zhǔn)。而且控制流程比較簡單，其操作反應(yīng)較為靈敏，操作速度與效率較高，有利于運(yùn)輸控制系統(tǒng)整體工作效率的提升。相對于其他方法來說，直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用方案是一種綜合性能較高的控制應(yīng)用方法，能夠在規(guī)模較大、對安全性要求較高的礦山運(yùn)輸控制工作中得到更廣泛應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢驗(yàn)本文研究的變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的應(yīng)用效果，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)研究，選用了傳統(tǒng)的基于PLC的礦山運(yùn)輸監(jiān)測控制系統(tǒng)與基于GPS的礦山運(yùn)輸機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，對三種控制技術(shù)的精準(zhǔn)度進(jìn)行了研究分析。煤礦運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖10 煤礦運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)示意

根據(jù)上圖對變頻技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。輸送功率值如圖11、圖12所示。

圖12 控制精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

本文研究的變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)操作精準(zhǔn)度更好。由圖12中數(shù)據(jù)可見，運(yùn)輸棧橋在降速的運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，精準(zhǔn)度受到的影響較大，操作精準(zhǔn)度結(jié)果與勻速和加速時(shí)都存在一定差距；而運(yùn)輸棧橋處于勻速的工作狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度最高。

本文研究的控制系統(tǒng)在運(yùn)輸棧橋勻速工作時(shí)的控制精準(zhǔn)度達(dá)到了98.1%，在降速運(yùn)輸時(shí)控制精準(zhǔn)度最低，但也達(dá)到了95.6%，精準(zhǔn)度控制水平總體都在95%以上，可見變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的應(yīng)用效果十分良好，與礦山運(yùn)輸系統(tǒng)的適配性也比較高。

基于PLC的礦山運(yùn)輸監(jiān)測控制系統(tǒng)的控制精準(zhǔn)度結(jié)果比較均衡，說明該控制系統(tǒng)的檢測水平比較穩(wěn)定，但是其精準(zhǔn)度并不是很高，在運(yùn)輸棧橋勻速運(yùn)輸時(shí)的控制精準(zhǔn)度也只是89.1%，可見這一控制系統(tǒng)的控制能力相對較弱，難以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的運(yùn)輸棧橋控制任務(wù)?；贕PS的礦山運(yùn)輸機(jī)械控制系統(tǒng)主要是利用GPS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制的，本身就容易受到時(shí)間差異和空間距離等因素影響，導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差較大，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)輸棧橋的控制精準(zhǔn)度也相對較低，在降速運(yùn)動(dòng)時(shí)精準(zhǔn)度最低為79.6%，而且其精準(zhǔn)度差異較大，說明其控制效果不是很穩(wěn)定。綜上所述，變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的應(yīng)用效果更好。

5 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)研究證明了應(yīng)用了變頻技術(shù)的礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的控制精準(zhǔn)度，可見變頻技術(shù)在礦山運(yùn)輸棧橋自動(dòng)控制中的應(yīng)用效果良好。變頻技術(shù)能夠?qū)ΦV山運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)方面的應(yīng)用起到一定的積極作用，有利于我國礦山行業(yè)的智能化、現(xiàn)代化發(fā)展。