刮板輸送機永磁半直驅系統速度控制策略研究

余文濤

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030205

刮板輸送機是綜采面煤炭運輸的主要設備，其鏈條性能的好壞直接影響到運輸設備的運輸性能。傳統刮板輸送機主要借助于減速器進行調速，效果差且設備損壞率高[1]。為此，本文提出永磁電機半直驅作為驅動裝置，根據負載信號的不同，實現了實時精準的控制，有良好的應用效果。

1 永磁電機半直驅刮板輸送機系統機電耦合動態特性研究

刮板輸送機永磁電機半直驅動系統是將電磁力、傳動力和摩擦力相互耦合的復雜驅動系統，變頻驅動刮板輸送機主要是通過變頻器控制鏈輪的驅動力，實現對輸送機運行速度的調控，永磁電機半直驅動系統則是根據輸送機負載狀態，通過負載信號實現對電機的矢量控制，閉環控制的過程中實現了機械能和電磁能之間的轉化。針對機電耦合狀態，眾多學者針對負載調控進行了研究，對于機電耦合系統的研究卻頗少。

永磁電機半直驅動系統由電機、齒輪和刮板輸送機構成。其中，電機產生的電磁力、齒輪產生的傳動力以及管板輸送機運行過程中產生的摩擦力之間相互耦合構成了半直驅動系統。本文以刮板輸送機為主，對系統機電模型進行分析研究。

不同于傳統的電機，永磁電機磁場的產生主要依賴于永磁體，輸入的三相電流經過定子繞組形成了磁場，磁場的形成將電能轉化為磁場勢能，同時實現了電機轉子的同步運動[2]。

為了簡化刮板輸送機機電耦合模型，將電機軸和齒輪傳動軸設計為一個整體，得到圖1所示的刮板輸送機機電耦合模型圖。

圖1 刮板輸送機機電耦合模型圖

圖中，電機轉子的角速度用ωe表示，經過齒輪的傳速，電機轉子的輸出角速度為ω'e，輸送機的剛度系數以及阻尼系數分別用kw，cw表示，機械傳動角速度為ω'm，為了保證計算結果的準確性和及時性，視電機轉子輸出和齒輪系統輸出一樣，簡化系統后，永磁電機半直驅動系統分為電機系統和刮板輸送機系統兩部分。

2 永磁電機半直驅應用研究

從上述分析可知，永磁電機半直驅動系統主要有電機系統和刮板輸送機系統兩部分。圖2為永磁電機半直驅電機系統圖，系統圖中，選用TYVZ-3800-280M-16型的永磁電機，電機的額定功率為37KW，額定電流為73.2A，額定電壓為380V，定子電阻為0.136Ω，反電勢常數為1060V，轉動慣量為1.98kg·m2。為了更加真實的反映刮板輸送機運行過程中載荷的波動，利用磁粉式測功機系統模擬輸送機載荷波動狀況。為了充分研究不同工況下系統的運行狀態，對空載運行、穩定承載運行和隨機承載運行狀態進行研究。

圖2 永磁電機半直驅電機系統圖

2.1 空載運行工況研究

圖3為空載運行狀態下系統工況曲線，從圖3中(a)圖可以看出，在空載運行狀態下，電機在運行初期轉矩最大達到1.09×104N·m，隨后開始快速降低，在運行約2s左右，轉矩值穩定在0.34×104N·m，分析其原因，為了克服鏈條及刮板的工作阻力，電機產生電磁轉矩，而在電機運行初期，會產生較大的電流，在電流的驅動作用下，電磁轉矩產生，且電磁轉矩的波動與電流波動規律一致。從圖3中(b)圖可以看出，在電機啟動初期，依靠鏈輪鏈條的嚙合作用進行運行，因此鏈輪鏈條嚙合處速度最大， 在嚙合作用的傳遞作用下，距離電機較遠的位置速度最低，且承載段和非承載段速度變化趨勢相同。但是不同關鍵段內速度變化趨勢有差別，在靠近機頭機尾處速度波動較大，但是在電機啟動2s左右的時間，速度值最終穩定在1.8m/s左右，在電機啟動的短時間內，承載段和非承載段加速度會出現波動的狀況， 一定張緊力的皮帶在運行過程中會受到沖擊力作用，使得鏈條速度加快，此時加速度值最大，達到24.25m2/s，這一現象在機頭機尾兩側作為明顯。隨著空載運行的持續進行，沖擊力作用逐漸減小，因此加速度值也隨之減小，在2s左右后，加速度值較為穩定，值為0。

2.2 穩定承載運行工況研究

在空載運行3s后，系統進入穩定運行階段，在穩定運行階段前3s內，電機速度有一定范圍的波動，3s后速度逐漸趨于穩定。電機n1和電機n2速度變化趨勢相同，但是電機n1的變化幅度大于電機n2，在2s左右達到755 r/min，在120s后穩定在750 r/min左右。

而在穩定承載階段，輸送機的運行速度經過兩次大的波動，兩次波動有差異，第一次波動輸送機承載段和非承載段都有明顯的波動，第二次波動非承載段現象大于承載段的波動，分析其原因， 在輸送機運行過程中，鏈條受到沖擊力作用，此沖擊力會被鏈條以及運輸物料吸收，造成了承載段與非承載段張力的差距，關鍵段內電機波動的最大速度為3.6m/s，在運行15s后穩定在1.8m/s左右。從速度曲線可以看出，在運行的前1s時和4s式，因為鏈條鏈輪的嚙合作用，鏈條運行速度波動較大，12s左右時間開始逐漸穩定，在15s時完全穩定下來。

2.3 隨機承載運行工況研究

在隨機承載運行狀態下系統工況曲線，電機轉速沒有大范圍的波動，20s左右受到載荷作用，電機轉速開始出現波動，且持續一段時間，分析其原因，在長距離長時間的運輸過程中，刮板輸送機上的物料會出現堆積 ，隨著堆積物的增加，電機運行速度也會出現波動，機頭電機波動范圍大于機尾電機波動范圍。在20s開始，隨著負載的增加，鏈條運行速度開始波動，處于承載段的鏈條速度呈現下降的趨勢，非承載段的鏈條速度則呈現增大的趨勢。23s時，鏈條運行速度達到最大，值為2.8m/s，在刮板輸送機長距離運輸的條件下，鏈條速度得增加對鏈條沖擊較大，在刮板輸送機位置550m的位置，速度波動較為平緩，在250m的位置，速度波動最大。根據速度曲線分析鏈條運行過程中加速度的變化，當刮板輸送機鏈條運行速度波動較大時，鏈條的加速度會出現明顯波動，在刮板輸送機位置550m的位置，加速度值接近0，在250m的位置，加速度波動最大。

對于不同工況下系統的運行狀態分析可以看出，無論刮板輸送機處于什么工況下，永磁電機半直驅電機都有良好的動態響應，且可以根據負載信號的不同進行自動調節，調節后電機及鏈條運行速度有波動，但是減少了傳統刮板輸送機大轉速小運輸的問題，由此可見，永磁電機半直直驅刮板輸送機具有良好的動態響應，良好的驅動方式增加了設備運行的可靠性。

3 結論

本文基于永磁電機半直驅刮板輸送機系統機電耦合動態特性研究，對空載運行、穩定承載運行和隨機承載運行狀態下系統工況進行了研究，研究結果表明，對于不同復雜工況下，永磁電機半直驅電機都能根據負載信號迅速做出動態響應，及時減少了設備的損壞，提高了設備運行的穩定性。