采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)調(diào)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(chǎn)業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有重要地位，有研究表明未來較長時間內(nèi)煤炭仍然是主要的一次性能源[1-2]。采煤機(jī)作為煤炭開采的主要設(shè)備，隨著科技的不斷進(jìn)步，其在行走機(jī)構(gòu)傳動方式和牽引部調(diào)速兩方面都取得了重要改變[3]，調(diào)速方式由早期的直流調(diào)速逐漸改變?yōu)榻涣髡{(diào)速。隨著采煤機(jī)功率的不斷增大，對牽引部電機(jī)功率提出了更高要求。對于大功率電機(jī)，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(jī)井下工作的特點(diǎn)，受空間限制，大體積的電機(jī)不適合在采煤機(jī)牽引部應(yīng)用。針對上述問題，出現(xiàn)了用兩臺交流電機(jī)一起驅(qū)動采煤機(jī)牽引部的情況。早期使用同一變頻控制器對兩臺電機(jī)進(jìn)行控制，由于控制效率低，精度不高等缺點(diǎn)，后面逐漸采用一個變頻器控制一個電機(jī)，并且被廣泛使用在大型電牽引采煤機(jī)上。

雙電機(jī)主從同步牽引方式很好地解決了采煤機(jī)牽引部功率不足的問題，但同時由于兩臺電機(jī)制造誤差的存在，電機(jī)參數(shù)不可能完全一致，使得兩臺電機(jī)在使用過程中功率偏差，造成電機(jī)過載損壞現(xiàn)象，因此有必要對雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行研究，以提高系統(tǒng)控制精度。

1 采煤機(jī)牽引部工作原理

圖1所示為采煤機(jī)牽引部工作原理圖，主要包括調(diào)速系統(tǒng)、行走箱、動力傳遞系統(tǒng)三個部分[4]。調(diào)速系統(tǒng)由兩個牽引電機(jī)控制系統(tǒng)組成，一個電機(jī)對應(yīng)一個變頻器；行走箱中包含有驅(qū)動輪和銷輪等；動力傳遞系統(tǒng)包括牽引電機(jī)和齒輪傳遞系統(tǒng)。

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

圖1 牽引部工作原理圖

2 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

為了對采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)協(xié)同控制方法進(jìn)行深入研究，首先需要建立合適的三線異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。由于異步電機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，具有高階、強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)[5]，一般通過坐標(biāo)變換將三線靜止坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成兩相坐標(biāo)，從而達(dá)到對系統(tǒng)簡化的目的。模型的建立過程中做出如下假設(shè)[6]：不考慮鐵心磁飽和、磁滯的影響，電機(jī)鐵心的導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)；定子、轉(zhuǎn)子三個繞組結(jié)構(gòu)上相同，空間位置相互間相差120°；在建立的模型橫、縱坐標(biāo)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子具有對稱結(jié)構(gòu)，因此電磁磁路在空間上完全對稱；在氣隙空間中，轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組產(chǎn)生的磁動勢呈正態(tài)分布。

通過上述假設(shè)，對三相異步電機(jī)進(jìn)行簡化后，得出其數(shù)學(xué)模型為[7]：

定子電壓方程：

式中：usA、usB、usC分別為三線異步電機(jī)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(jī)定子繞組電流；ψsA、ψsB、ψsC分別為三線異步電機(jī)定子繞組磁鏈。

轉(zhuǎn)子電壓方程：

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

定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈、繞組電流三者之間的關(guān)系式如下：

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

電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為：

式中：Ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rad/s；Tj為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Tm為機(jī)械力矩，N·m；Te為電磁力矩，N·m。

通過電流與磁鏈間的關(guān)系，對上式轉(zhuǎn)換得：

式中：Np為極對數(shù)。

上述式（1）—（5）組成了異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，由于模型階次較低，從而達(dá)到了簡化模型的目的。

3 仿真分析

異步電機(jī)矢量控制原理就是分別將定子電流和轉(zhuǎn)矩分量作為控制量，先通過矢量旋轉(zhuǎn)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(jī)。本文利用Simulink建立采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)仿真模型，應(yīng)用ode45算法對不同控制方法進(jìn)行研究分析。

圖2所示為異步電機(jī)并行控制原理框圖，其控制過程中通過分別給主、從電機(jī)輸入控制信號，避免兩電機(jī)接收信號時發(fā)生延遲現(xiàn)象，即兩電機(jī)跟隨信號由同一控制器發(fā)出。并行控制與傳統(tǒng)主從控制相比較，其優(yōu)點(diǎn)是減少了從電機(jī)響應(yīng)滯后時間，在啟動、調(diào)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(jù)上述方框圖，應(yīng)用Simulink建立仿真模型，主、從電機(jī)負(fù)載均設(shè)置為50 N·m，在仿真到5 s時，輸入轉(zhuǎn)速由60 rad/s階躍至90 rad/s，得到其轉(zhuǎn)速偏差如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速偏差仿真圖

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

圖4所示為電機(jī)1在受到隨機(jī)負(fù)載擾動5 s時，電機(jī)1和電機(jī)2的響應(yīng)曲線，從圖4中可以看出并行控制雖然具有自身優(yōu)點(diǎn)，但是由于系統(tǒng)為開環(huán)控制，當(dāng)某一電機(jī)受到外界擾動時，電機(jī)之間的同步偏差較大，兩電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速差接近8 r/min。

圖4 電機(jī)1受擾動時兩電機(jī)的響應(yīng)曲線

為了解決上述問題，本文采用雙電機(jī)耦合控制方式，將兩臺電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速差作為附加信號，輸入到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，從而消除兩電機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速差，提高電機(jī)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(jī)1在受到隨機(jī)負(fù)載擾動5 s時，電機(jī)1和電機(jī)2的響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖可以看出，交叉耦合控制下電機(jī)1受到負(fù)載擾動后，兩電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)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(tǒng)中增加了速度耦合控制器，將兩電機(jī)轉(zhuǎn)速差信號同時輸入到了速度調(diào)節(jié)器中，從而使得任意一臺電機(jī)受到外界擾動，另一電機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的跟隨。

4 結(jié)論

1）主從控制兩電機(jī)同步性較差，特別是啟動階段從動電機(jī)出現(xiàn)了嚴(yán)重滯后現(xiàn)象；

2）并行控制能夠很好地解決兩電機(jī)之間出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，但是當(dāng)主電機(jī)受外界擾動后，兩電機(jī)的同步性不能得到很好的保證；

圖6 電機(jī)1受擾動時兩電機(jī)的響應(yīng)曲線

3）交叉耦合控制不僅解決了兩電機(jī)出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，并且在主電機(jī)受到干擾后，從電機(jī)能實(shí)現(xiàn)及時良好的跟隨，使得牽引部有了更強(qiáng)的適應(yīng)性。