永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

許劍波

（山西晉能控股煤業(yè)集團成莊煤礦，山西 晉城 048021）

0 引言

煤礦井下皮帶機是保證礦井安全、可靠運行的重要組成部分，皮帶機驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)歷了直流電機為主的直聯(lián)驅(qū)動模式、異步電機為主的間接驅(qū)動模式、以外轉(zhuǎn)子電機為主的直接驅(qū)動模式以及永磁電機直驅(qū)模式等，在占地空間、系統(tǒng)布置、維護頻度、調(diào)速范圍、傳動效率、可靠性等方面直驅(qū)系統(tǒng)有較大優(yōu)勢［1－3］。對于永磁電機調(diào)速系統(tǒng)的研究主要集中在矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制以及預(yù)測控制等方面，以提高調(diào)速系統(tǒng)性能［4－6］。成莊礦順槽1.4 m皮帶機驅(qū)動裝置采用電機加CST的方式，CST采用液壓油作為傳輸介質(zhì)，兼具軟啟動和減速機的功能，在實際應(yīng)用過程中，其技術(shù)局限性主要表現(xiàn)為體積大、成本投入高、故障率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣、不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)速等。為了解決以上順槽皮帶機的技術(shù)問題，本文對順槽皮帶機驅(qū)動技術(shù)進行了深入研究，通過分析比較，決定采用永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)中永磁電機直接與皮帶機驅(qū)動滾筒相聯(lián)接，不需要配置減速機，采用基于無模型自適應(yīng)控制模型，設(shè)計控制器－變頻器－永磁電機控制模式，提高控制系統(tǒng)實時性，降低故障發(fā)生率，保證皮帶機安全、連續(xù)、穩(wěn)定運行。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 電壓等級確定

煤礦井下大功率電機工作電壓等級一般有660 V、1 140 V、3 300 V這3個等級。成莊礦順槽1.4 m皮帶機單臺驅(qū)動功率為400 kW，若工作電壓選擇660 V，電機及配套的變頻器對絕緣系統(tǒng)要求較低，但其工作電流較大，對磁力啟動器及電纜等供電系統(tǒng)選型要求高，否則極易造成供電系統(tǒng)發(fā)熱而影響安全運行。若工作電壓選擇3 300 V，雖然其工作電流大大降低，但電機及配套的變頻器對絕緣系統(tǒng)要求較為苛刻，制造成本高昂。若工作電壓選擇1 140 V，電機及配套的變頻器對絕緣系統(tǒng)要求稍高，但由于其工作電流較小，對磁力啟動器及電纜等供電系統(tǒng)選型要求較低，因此是較為合理的選擇。通過綜合比較，最終確定電機工作電壓等級為1 140／660 V，正常工作時接入1 140 V供電系統(tǒng)。

1.2 極數(shù)確定

成莊礦井下順槽皮帶機運行速度一般為3.5 m／s，驅(qū)動電機的異步轉(zhuǎn)速約1 485 r／min，因此，要獲得皮帶機所需的運行速度，電機與驅(qū)動滾筒之間必須加裝減速機，通過減速機與皮帶機驅(qū)動滾筒連接。永磁電機可以將電機極數(shù)增多，達到32極甚至更高。根據(jù)下式可知，電機的轉(zhuǎn)速將會大幅下降：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速，r／min；f為電源頻率，Hz；p為電機極對數(shù)（極數(shù)的一半）。

根據(jù)上式可知［7－8］，當電機極數(shù)p為32時，其輸出轉(zhuǎn)速為187.5 r／min，僅為普通電機的12.6%，如下：

通過調(diào)研分析比較，32極永磁電機制造工藝相對成熟且成本較低，因此，成莊礦在設(shè)計選型時，所選永磁電機為32極，功率為400 kW，驅(qū)動數(shù)量為3驅(qū)，與現(xiàn)用皮帶機總裝機功率保持一致，電機直接與皮帶機驅(qū)動滾筒相連，省掉了減速機，聯(lián)接方式如圖1所示。

圖1 永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動配套

1.3 變頻控制裝置

1.3.1 確定變頻器輸出頻率

采用永磁電機后，雖然電機轉(zhuǎn)速大幅降低，但仍高于皮帶機正常運行所需的轉(zhuǎn)速，而且電機不能直接啟動，需對電機進行軟啟動控制。要滿足速度和軟啟動的要求，變頻技術(shù)成為首選，采用變頻器改變電源頻率，實現(xiàn)電機在低頻狀態(tài)下運行，同時皮帶機加速時間在0～180 s內(nèi)連續(xù)可調(diào)，保證皮帶機啟動平穩(wěn)、無機械沖擊和電氣沖擊，從技術(shù)上實現(xiàn)真正的軟啟動。通過變頻技術(shù)實現(xiàn)的軟啟動，可以提高起動轉(zhuǎn)矩至2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，大大提高重載起車性能［9－10］。根據(jù)以下皮帶機速度計算公式，可以推算出電機所需工作頻率為18 Hz，因此變頻器最大頻率設(shè)定為18 Hz，皮帶機的運行速度在0～3.5 m／s內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

式中：v為皮帶機運行速度，m／s；d為驅(qū)動滾筒直徑，取1.03 m；n為電機轉(zhuǎn)速，計算時轉(zhuǎn)換成r／s。

1.3.2 電壓峰值與繞組耐壓相匹配

變頻器控制永磁電機時，變頻器輸出電壓峰值必須與電機繞組的極限耐壓值相匹配，否則會造成電機繞組絕緣擊穿。如圖2所示。因此，通過分析，在變頻器輸出電路中，設(shè)計了一種壓敏電阻裝置吸收過電壓。當產(chǎn)生過電壓時，壓敏電阻的阻值會迅速減小，把壓敏電阻兩端的電壓鉗位在它的殘壓，從而對與其并聯(lián)的設(shè)備起到保護作用［11］。當電壓恢復(fù)正常時，壓敏電阻又會恢復(fù)高阻狀態(tài)，不影響系統(tǒng)正常工作。通過實際測量，變頻器輸出電壓峰值為2 180 V，遠低于電機絕緣耐壓值，從而保證了電機安全運行。

圖2 變頻器輸出電壓峰值

1.4 調(diào)速系統(tǒng)模型

調(diào)速系統(tǒng)的核心任務(wù)是控制每臺變頻器的啟停并實現(xiàn)相應(yīng)的保護功能，同時控制變頻器頻率輸出，使皮帶機從靜止到滿速狀態(tài)的過程控制，實現(xiàn)皮帶機運行的各個階段多臺電機功率平衡控制。皮帶機運行時負載與環(huán)境參數(shù)有時變、非確定性以及滯后性的特點［12］，傳統(tǒng)PID或者模糊PID控制方法難以保證調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，因此采用無模型自適應(yīng)控制（Model－free Adaptive Control，MFAC）算法進行調(diào)速系統(tǒng)控制，其調(diào)速模型如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)調(diào)速模型

變頻器啟動后，通過PLC程序來控制其頻率輸出，使皮帶機按預(yù)定的速度曲線開始運行直到滿速。皮帶機在設(shè)定的時間范圍內(nèi)基本沿S型曲線爬升，保證皮帶機無論在重載還是輕載的工況下平穩(wěn)起車，對電網(wǎng)系統(tǒng)和機械系統(tǒng)沖擊最小，設(shè)計的啟動速度曲線如圖4所示，MFAC控制模式對皮帶機目標速度的跟隨性較好。

圖4 皮帶機啟動時MFAC與PID控制系統(tǒng)速度跟蹤對比

對大型皮帶機配置的多個驅(qū)動系統(tǒng)，在皮帶機運行過程中都要使各驅(qū)動器之間達到適當?shù)呢撦d平衡以使皮帶機上所有部件的負載和應(yīng)力最小。調(diào)速控制系統(tǒng)通過PLC程序里的多個PID控制回路來實現(xiàn)各驅(qū)動電機達到負載均勻分配。當多驅(qū)中的某一臺被選定為主驅(qū)后，其輸出軸速度傳感器提供初級反饋值用來控制皮帶機的加速度，主驅(qū)輸出功率始終控制在滿速時所需的范圍內(nèi)，而從驅(qū)功率控制將使從驅(qū)始終跟隨主驅(qū)功率，達到平衡狀態(tài)。

2 應(yīng)用效果分析

永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)在成莊礦5314大采高工作面進行了工業(yè)性應(yīng)用，順槽皮帶機設(shè)計長度為1 600 m，按三驅(qū)配置，累計出煤量已達300萬t，目前該面已回采完畢，皮帶機運行狀況良好，未出現(xiàn)任何故障。應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在：

（1）省掉了減速機，體積大大縮小，機頭部基礎(chǔ)工程量減少一半，原來15天的工期可以壓縮為7天左右；

（2）由于永磁電機轉(zhuǎn)速極低，發(fā)熱量小，滿載狀態(tài)下，電機溫度也不會超過25℃，因此對冷卻系統(tǒng)要求簡單，僅需保證冷卻水暢通即可；

（3）采用變頻器控制永磁電機，使得皮帶機起車過程可在0～180 s內(nèi)連續(xù)可調(diào)，保證皮帶機啟動平穩(wěn)，無機械沖擊和電氣沖擊；可實現(xiàn)低速大扭矩功能，起動轉(zhuǎn)矩達到2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，滿足重載平穩(wěn)起車，基本杜絕了重載情況下壓帶的現(xiàn)象；

（4）皮帶機機頭驅(qū)動部基本實現(xiàn)了免維護，減少了工人的維護工作量，降低了維護成本投入，每年減少相應(yīng)的成本約100萬元。

永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)故障率低，在實際使用過程中，整個系統(tǒng)運行良好，直至采面回采結(jié)束，沒有出現(xiàn)任何故障，保證了工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 結(jié)束語

本文針對成莊煤礦順槽1.4 m皮帶機永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計并實際應(yīng)用，得出下述結(jié)論：

（1）確定永磁電機工作電壓等級，采用660／1 140 V雙電壓系統(tǒng)，使其在煤礦井下具有廣泛的適應(yīng)性；

（2）確定永磁電機極數(shù)，電機極數(shù)為32極，其輸出轉(zhuǎn)速為187.5 r／min，僅僅是普通異步電機轉(zhuǎn)速的12.6%；

（3）根據(jù)永磁電機轉(zhuǎn)速和皮帶機運行速度設(shè)計匹配變頻器，解決了變頻器輸出電壓與永磁電機絕緣等級相匹配的技術(shù)難點，保證電機安全穩(wěn)定運行；

（4）設(shè)計控制系統(tǒng)，對多臺永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)進行MFAC調(diào)速控制，實現(xiàn)一鍵式啟停、保護及功率平衡功能。

從實際應(yīng)用效果來看，永磁電機直聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)不僅解決了煤礦井下順槽皮帶機軟啟動的技術(shù)難題，同時在設(shè)備配套上數(shù)量更少，占用空間更小，控制邏輯上更加簡單清晰，皮帶機調(diào)速性能更加優(yōu)越。