采煤機牽引部雙電機協調控制方法的研究

陳 靜

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

煤炭產業在我國國民經濟的發展中占有重要地位，有研究表明未來較長時間內煤炭仍然是主要的一次性能源[1-2]。采煤機作為煤炭開采的主要設備，隨著科技的不斷進步，其在行走機構傳動方式和牽引部調速兩方面都取得了重要改變[3]，調速方式由早期的直流調速逐漸改變為交流調速。隨著采煤機功率的不斷增大，對牽引部電機功率提出了更高要求。對于大功率電機，一方面由于可靠性相對較差，且價格昂貴，另一方面由于采煤機井下工作的特點，受空間限制，大體積的電機不適合在采煤機牽引部應用。針對上述問題，出現了用兩臺交流電機一起驅動采煤機牽引部的情況。早期使用同一變頻控制器對兩臺電機進行控制，由于控制效率低，精度不高等缺點，后面逐漸采用一個變頻器控制一個電機，并且被廣泛使用在大型電牽引采煤機上。

雙電機主從同步牽引方式很好地解決了采煤機牽引部功率不足的問題，但同時由于兩臺電機制造誤差的存在，電機參數不可能完全一致，使得兩臺電機在使用過程中功率偏差，造成電機過載損壞現象，因此有必要對雙電機協調控制方法進行研究，以提高系統控制精度。

1 采煤機牽引部工作原理

圖1所示為采煤機牽引部工作原理圖，主要包括調速系統、行走箱、動力傳遞系統三個部分[4]。調速系統由兩個牽引電機控制系統組成，一個電機對應一個變頻器；行走箱中包含有驅動輪和銷輪等；動力傳遞系統包括牽引電機和齒輪傳遞系統。

工作過程中，控制信號首先傳遞給電機控制器，電機控制器再通過逆變器將變壓信號傳遞至驅動電機，從而驅動左右兩側銷輪在銷軌上的運動。

圖1 牽引部工作原理圖

2 異步電機數學模型的建立

為了對采煤機牽引部雙電機協同控制方法進行深入研究，首先需要建立合適的三線異步電機數學模型。由于異步電機系統比較復雜，具有高階、強耦合、非線性等特點[5]，一般通過坐標變換將三線靜止坐標轉化成兩相坐標，從而達到對系統簡化的目的。模型的建立過程中做出如下假設[6]：不考慮鐵心磁飽和、磁滯的影響，電機鐵心的導磁系數為常數；定子、轉子三個繞組結構上相同，空間位置相互間相差120°；在建立的模型橫、縱坐標中，電機轉子具有對稱結構，因此電磁磁路在空間上完全對稱；在氣隙空間中，轉子繞組和定子繞組產生的磁動勢呈正態分布。

通過上述假設，對三相異步電機進行簡化后，得出其數學模型為[7]：

定子電壓方程：

式中：usA、usB、usC分別為三線異步電機定子繞組電壓；Rs為定子繞組電阻；isA、isB、isC分別為三線異步電機定子繞組電流；ψsA、ψsB、ψsC分別為三線異步電機定子繞組磁鏈。

轉子電壓方程：

式中：ura、urb、urc分別為三線異步電機轉子繞組電壓；Rr為轉子繞組電阻；ira、irb、irc分別為三線異步電機轉子繞組電流；ψra、ψrb、ψrc分別為三線異步電機轉子繞組磁鏈。

定子磁鏈、轉子磁鏈、繞組電流三者之間的關系式如下：

式中：ψs、ψr分別為定子和轉子繞組磁鏈矩陣；is、ir分別為定子和轉子繞組電流矩陣，Lss、Lsr、Lrs、Lrr為電感矩陣。

電機轉子運動方程為：

式中：Ωr為轉子轉速，rad/s；Tj為發電機的轉動慣量，kg·m2；Tm為機械力矩，N·m；Te為電磁力矩，N·m。

通過電流與磁鏈間的關系，對上式轉換得：

式中：Np為極對數。

上述式（1）—（5）組成了異步電機數學模型，由于模型階次較低，從而達到了簡化模型的目的。

3 仿真分析

異步電機矢量控制原理就是分別將定子電流和轉矩分量作為控制量，先通過矢量旋轉變換為兩相交流控制，再通過2S/3S（二相、三相矢量）變換得到三相電流控制量，從而利用三相電流控制量來控制三相交流異步電機。本文利用Simulink建立采煤機牽引部雙電機仿真模型，應用ode45算法對不同控制方法進行研究分析。

圖2所示為異步電機并行控制原理框圖，其控制過程中通過分別給主、從電機輸入控制信號，避免兩電機接收信號時發生延遲現象，即兩電機跟隨信號由同一控制器發出。并行控制與傳統主從控制相比較，其優點是減少了從電機響應滯后時間，在啟動、調速以及停止階段具有良好的同步性。

圖2 并行控制框圖

根據上述方框圖，應用Simulink建立仿真模型，主、從電機負載均設置為50 N·m，在仿真到5 s時，輸入轉速由60 rad/s階躍至90 rad/s，得到其轉速偏差如圖3所示。

圖3 轉速偏差仿真圖

從圖3中可以看出，在輸入轉速突變后并行控制中的兩異步電機仍然能夠保持很好的同步性，轉速始終在零附近上下波動；傳統的主從控制在兩電機同時輸入轉速信號后出現了1.5 s左右的延時。

圖4所示為電機1在受到隨機負載擾動5 s時，電機1和電機2的響應曲線，從圖4中可以看出并行控制雖然具有自身優點，但是由于系統為開環控制，當某一電機受到外界擾動時，電機之間的同步偏差較大，兩電機的最大轉速差接近8 r/min。

圖4 電機1受擾動時兩電機的響應曲線

為了解決上述問題，本文采用雙電機耦合控制方式，將兩臺電機實際運行過程中的轉速差作為附加信號，輸入到轉速調節器中，從而消除兩電機實際運行轉速差，提高電機的同步控制精度，交叉耦合控制原理如圖5所示。

圖5 交叉耦合控制原理框圖

利用交叉耦合控制原理圖建立仿真模型，在同樣的仿真條件下，電機1在受到隨機負載擾動5 s時，電機1和電機2的響應曲線如圖6所示。從圖可以看出，交叉耦合控制下電機1受到負載擾動后，兩電機的實際轉速始終能夠保持較好的同步，分析原因主要是由于控制系統中增加了速度耦合控制器，將兩電機轉速差信號同時輸入到了速度調節器中，從而使得任意一臺電機受到外界擾動，另一電機都能夠實現良好的跟隨。

4 結論

1）主從控制兩電機同步性較差，特別是啟動階段從動電機出現了嚴重滯后現象；

2）并行控制能夠很好地解決兩電機之間出現的滯后現象，但是當主電機受外界擾動后，兩電機的同步性不能得到很好的保證；

圖6 電機1受擾動時兩電機的響應曲線

3）交叉耦合控制不僅解決了兩電機出現的滯后現象，并且在主電機受到干擾后，從電機能實現及時良好的跟隨，使得牽引部有了更強的適應性。