礦用刮板輸送機雙機驅動系統功率平衡研究

劉力偉 張紅娟 高 妍 耿嘉勝 靳寶全

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市，030024；2.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

為了適應現代化煤礦高產量和高效率的要求，礦用刮板輸送機向著更大功率、更大運輸量以及更長運輸距離的方向發展，單機驅動的工作模式早已不能滿足可靠性與長期穩定性的運輸要求，故而對多機運行功率平衡的研究具有重要的現實意義。多機驅動裝置中某些相同機械部分有著較多不同的機械硬性因素，如驅動部分摩擦指數、軟傳動部分的膠帶伸縮指數、運動部分滾輪通徑的細微差別以及各電機機械特性的差異等，使得各電機在協同工作時并不能完全同步，即所承受的負載比例并不完全等于各自額定容量之比，造成各電機出力大小不協調和互相牽制“拉扯”的情況，從而導致電機運行壽命普遍下降、維修次數增多、甚至發生機內線圈燒毀的現象。

剛性軸向連接是在硬性軸承裝置的基礎上強制牽動與驅向運轉的電機協同工作方式。針對以上存在的問題，選取剛性強制耦合下雙電機驅動系統為研究對象，詳細分析內在負載功率不均勻匹配的原因，指出造成功率分配不平衡的本質，設計了對應的控制方案，并基于MATLAB對該方案進行仿真，進而驗證方案的可行性。

1 負載權重分配不平衡分析

理想狀態下，出廠型號和額定容量都相同的雙驅動電機具有完全一致的機械特性，但在工況中多種因素的影響下，雙電機的機械特性不可能完全相同，特別在負載大小波動幅度增減不一致情況下，存在通過鏈接軸的間接交互式負荷轉移情況。這種間接交互負荷轉移并非人為增加電機臺數提升節能效果，而是處于自動被迫狀態，使雙電機不再準確按照原負載配比分擔總系統負載，出現不均勻承重和相互牽制“拉扯”的現象，引起雙電機功率不平衡運行。雙電機運行機械特性曲線如圖1所示。

圖1 雙電機運行機械特性曲線

由圖1可以看出，當l1和l2為增量較小時的切線，設k1和k2分別為兩切線的斜率。系統穩定運行時工作在A點，此時雙電機輸出轉矩相同。外界負載變化使轉矩增加ΔT時，轉速不會立即調整到位，雙電機工作點將沿各自機械特性曲線下滑，產生Δn的降幅。剛性連接下雙電機轉速強制匹配，故轉速再次相同后達到新的穩定運行點。此時雙電機各自工作在B點和C點，輸出轉矩增量分別為ΔT1和ΔT2。此時轉矩平衡關系見式(1)：

(1)

式中：ΔT——負載轉矩變化量，N·m；

Δn——轉速變化量，r/min；

k1——主電機工作點A斜率；

k2——從電機工作點A斜率；

kT——雙電機之間的負荷轉移指數。

由式(1)可知，雙電機驅動系統在實際工況下，當外界負載的負荷產生增量時，各電機因各自的機械特性不完全相同而承擔不同的負載比例，這是造成功率分配不均勻的內在原因。

2 控制策略研究

多機軟連接傳動裝置在啟動停轉、工況穩態、雙向調速等各種動態向次級工作狀態轉換時，各電機能夠優先輸出按照額定容量權重配比進行分配的機械功率，電機的機械功率與其額定容量之比即電機負載占有權重比保持恒定一致，即可保持雙電機出力協調互不牽制，達到負載功率分配平衡。雙電機的實際輸出功率與額定容量有正比例關系，見式(2)：

(2)

式中：P1——主電機輸出功率，W；

Pn1——主電機額定容量，W；

P2——從電機輸出功率，W；

Pn2——從電機額定容量，W。

主從電機的功率關系見式(3)：

(3)

(P1=T1w1，P2=T2w2)

式中：Ps——系統總負載功率，W；

w1——主電機軸轉角速度，rad/s；

w2——從電機軸轉角速度，rad/s；

T1——主電機輸出轉矩，N·m；

T2——從電機輸出轉矩，N·m。

剛性連接下強制要求w1=w2，理想狀態下負載占有權重比相等,即雙電機的轉矩分配比相等，見式(4)：

(4)

式中：K——雙電機轉矩分配比，即負載權重比。

目前，有3種可行性較強的解決多機協同運行功率平衡的方案。第一種為基于電流控制的功率平衡策略，選取型號與容量相同的電機，有相同機械特性并在相同供電電平下，在額定負載穩定運行時，電機功率由輸出電流單獨決定，人為采用電流脈沖采樣變換裝置對其進行檢測，經過計算機軟件的設計換算，對輸出功率進行調節，實現各電機平行運轉。這種控制方案在多調速驅動裝置中并不適用；第二種為轉速與電流控制策略，在工況、啟停與多方向調速等多種動態情況下，分別分析并控制轉速與電流的變化，這種控制策略十分復雜且控制精確度不高；第三種為轉速轉矩平衡控制方案，針對工況穩態運行狀態，由輸出功率的公式推導可知，其與輸出轉矩值的大小正向相關。因此對輸出功率的控制轉換到對轉矩的調節，且轉矩可作為電機出力大小的反應指數之一。

系統采用轉速與轉矩同時控制的方案，確定了雙電機協同驅動系統的具體控制方案，建立了基于轉矩閉環反饋的定子電流、轉速、磁通三環矢量驅動系統模型，并采用MATLAB對其進行仿真，從而驗證該系統的可實施性。剛性連接下雙電機主從結構控制策略如圖2所示。

圖2 剛性連接下雙電機主從結構控制策略

3 解耦與磁鏈觀測器設計

驅動控制系統是在轉子磁鏈定向控制的基礎上進行電動機控制方案的搭建，控制計算式見式(5)～式(11)：

(5)

式中：Te——電磁轉矩，N·m；

nP——電機極對數，對；

lm——繞組互感，H；

lr——轉子自感，H；

ist——定子電流轉矩分量，A；

ψr——轉子磁鏈，Wb。

(6)

J——轉子轉動慣量，kg·m2；

Tl——負載轉矩，N·m。

(7)

式中：T——電機輸出轉矩，N·m；

Tr——轉子電磁時間常數；

ism——定子電流勵磁分量，A。

(8)

ω1——轉子轉速，rad/s；

μsm——M軸電平，V；

σ——漏磁系數；

ls——定子自感，H；

rs——定子繞組電阻，Ω；

rr——轉子繞組電阻，Ω；

(9)

ω——定子頻率，rad/s；

μst——T軸電平，V。

(10)

式中：ωs——轉差頻率，rad/s。

由解耦公式(6)、(7)、(8)、(9)、(10)可得：

(11)

電流ist與ism兩個變量已經解耦，但電磁轉矩Te為ist×ψr，依然為耦合狀態。由此可知，若保持氣隙磁通大小恒定，電機的Te只與轉矩分量ist有關；氣隙磁場的強弱與能量傳遞在電機運行過程中起著至關重要的作用；對電動機進行調速、調磁或調流等多種操作都必須對磁鏈大小進行觀測與調節；異步電動機的定子繞組電流因為包含轉矩分量ist和勵磁分量ism，所以它的氣隙磁通調節很復雜。若按照轉子磁場的定向控制，需要測得轉子磁場的大小和空間角度位置，故而針對電動機磁場進行直接檢測，并且采用變量運算、原理推導的方法觀測。兩相靜止同步旋轉坐標系下轉子磁鏈電流結構設計如圖3所示。

圖3 轉子磁鏈電流結構設計

4 電流滯環跟蹤控制

控制系統采用電流滯環跟蹤控制逆變器，仿真模型中Generation由3個單相電流滯環跟蹤控制器組成的小系統，這種控制電路是在電流逆變、電機運行與參數測量主回路的基礎上，增加電流反饋環節，使實際電流快速跟隨回饋電流，這種PWM型控制方法能有效獲得更好的性能。這種PWM脈沖發生電路具有精確度較高、響應速度較快以及易于實現的特點。同時其電流轉換所用的電子器件耗費較高。這種控制方案利用二、三相2r/3s坐標變換后得到三相反饋電流作為PWM的輸入限定電流，使電流環的控制更加精確。電流滯環跟蹤控制設計如圖4所示。

圖4 電流滯環跟蹤控制設計

5 轉速、轉矩和磁鏈控制器

圖5 轉速、轉矩和磁鏈控制器內部結構

調節器比例G1放大倍數積分G2放大倍數積分器限幅控制器輸出限幅上限下限上限下限轉速控制器ASR37(G1)09(G2)80-8075-75轉矩控制器ATR44(G3)13(G4)60-6060-60磁鏈控制器ApsiR17(G5)100(G6)15-1514-14

6 系統仿真

刮板輸送機雙機驅動系統功率平衡仿真控制電路結構包括電流滯環跟蹤逆變模塊、參數檢測模塊、轉速控制器ASR、轉矩控制器ATR、磁鏈觀測模塊、轉矩比例分配模塊、兩相旋轉與三相靜止坐標轉換2r/3s模塊等，其中直流電源DC、逆變器Inverter、電動機Motor和測量母線Bus selector構成了模型的主電路，雙電機之間采用剛性軸向強制耦合連接。逆變模塊的驅動信號由PWM脈沖發生器模塊產生。函數模塊function用于計算與轉換電磁轉矩Te，dq0_to_abc模塊用于2r/3s坐標變換。

7 仿真結果分析

人為限定系統轉速為1400 r/min，空載狀況下啟動，系統在0.5 s時轉速達到1400 r/min并開始保持穩定運行，在1.04 s和2 s時加載負載轉矩，主電機轉速波形在這兩個時刻略有下降但立即恢復。主電機轉速響應波形如圖6所示。

ApsirR的觀測輸出波形由于是帶輸出限幅的PI控制器，故在0.1 s時達到限幅值后，在起始啟動過程中因為限幅模塊的作用，電流保持固定值不變。磁鏈控制輸出響應波形如圖7所示。

在系統給定1400 r/min下，設置兩電機負載權重比為1∶1，空載啟動，兩電機在0.78 s時達到穩定運行狀態。在1.04 s添加系統總負載70 N·m，2 s時添加120 N·m，由波形觀察已實現雙電機分別在相應時刻各自分配35 N·m和60 N·m負載功率，很好地服從權重分配比例，主電機與從機功率比例控制嚴格，從電機準確地跟隨主機響應負載的變化，實現雙電機之間功率平衡的控制效果。主從電機控制功率為1∶1時輸出轉矩如圖8所示。

改變雙電機內置參數，使主從電機額定容量之比為2∶1，此時達到功率平衡控制。在1.04 s與2 s時刻分別加載75 N·m和105 N·m系統總負載，觀察轉矩波形可知主從電機在兩時刻分別為50 N·m、25 N·m和70 N·m、35 N·m，雙電機很好地按照容量權重進行了負載分配，穩定地保持了2∶1的比例，并且相應速度快，主從電機同步性好，靜差較小，負載權重比一致，實現了功率平衡控制要求，驗證了控制策略的實際可行性。主從電機控制功率為2∶1時輸出轉矩如圖9所示。

圖6 主電機轉速響應波形

圖7 磁鏈控制輸出響應波形

圖8 主從電機控制功率為1∶1時輸出轉矩

圖9 主從電機控制功率為2∶1時輸出轉矩

8 結語

雙電機協同驅動系統的功率平衡問題，通過基于轉矩閉環反饋的定子電流、轉速和磁通三環矢量驅動系統的控制方案得到了很好地解決，實現了負載的均衡分配，是在原有雙閉環系統基礎上的改進與優化。在固定剛性連接方式下，功率平衡有效地緩解了雙機運行不協調以及系統抖動不穩定的問題，大大提高了礦用刮板輸送機工作的安全性。在雙機功率平衡的基礎上按照相同機理可進一步實現多機功率平衡運行，這將進一步提升刮板輸送機的運行性能。

參考文獻：

[1] 張春芝, 孟國營. 刮板輸送機鏈環傳動系統剛-柔耦合動力學建模與仿真分析[J]. 中國煤炭, 2012(6)

[2] 王偉, 張景皓, 程明等. 五相逆變器雙電機驅動系統直接轉矩控制[J]. 中國電機工程學報, 2017(14)

[3] 聶永朝, 常會霞. 帶式輸送機自動控制系統的研究及應用[J]. 中國煤炭, 2017(5)

[4] 朱艷軍, 任曉迪, 席冉. 煤礦主運輸帶式輸送機故障監測和防治系統研究[J]. 中國煤炭, 2014(4)

[5] 翟文. 智能刮板輸送機控制系統在梅花井煤礦的應用研究[J]. 中國煤炭, 2015(7)

[6] 高志光, 張愛玲, 蔚蘭. 一種改進的轉矩和磁鏈調節器異步電機直接轉矩控制系統的研究[J]. 電機與控制學報, 2004(3)

[7] 牛津玉, 李春榮. 調頻調壓軟啟動器在綜采刮板輸送機上的應用[J]. 中國煤炭, 2005(9)

[8] 侯友夫. 帶式輸送機動態特性及控制策略研究[D]. 中國礦業大學, 2001