永磁直驅(qū)礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵控制策略研究

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司麥垛山煤礦 倪少軍

國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司金家渠煤礦 沈銘華

隨著永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，永磁電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用也進(jìn)入了新階段。目前我國永磁電機(jī)已應(yīng)用于許多行業(yè)，單機(jī)容量已達(dá)數(shù)MW。許多煤礦開始采用永磁變頻電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)對新設(shè)備配置或?qū)显O(shè)備進(jìn)行改造，使得煤礦井下帶式輸送機(jī)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)變得更加簡單和高效，既減輕了日常維護(hù)工作，又提高了設(shè)備效率和系統(tǒng)可靠性。

但是，目前綜采工作面的順槽輸送機(jī)所使用的變頻驅(qū)動系統(tǒng)多采用無位置傳感器控制技術(shù)，在以下幾點(diǎn)上還無法滿足井下實(shí)際使用工況要求：①在順槽皮帶運(yùn)行中多點(diǎn)驅(qū)動無法有效平衡功率，各點(diǎn)驅(qū)動存在著相互拉扯造成皮帶震蕩跳動影響皮帶使用壽命和安全運(yùn)行；②在順槽皮帶重載或滿載停車時，由于多點(diǎn)驅(qū)動無法有效平衡功率，雖然單機(jī)功率富于度很大但無法在重載啟動時形成合力造成順槽皮帶啟動困難，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)效率和產(chǎn)量；③井下綜采工作面大量使用水進(jìn)行降塵處理，使得順槽皮帶表面沾滿煤粉水合物致使皮帶與滾筒極易發(fā)生滑動。

此外，順槽輸送機(jī)控制策略和技術(shù)還無法有效解決大運(yùn)距重型帶式輸送機(jī)所需的平滑重載啟動、多點(diǎn)驅(qū)動功率平衡、協(xié)調(diào)控制等技術(shù)難題，因此，本文采用永磁直驅(qū)系統(tǒng)方案。整個系統(tǒng)通過綜合控制裝置執(zhí)行多驅(qū)系統(tǒng)控制策略和算法。綜合控制器實(shí)時監(jiān)測各套驅(qū)動系統(tǒng)，并完成相應(yīng)控制策略。綜合控制器根據(jù)預(yù)設(shè)定啟動、運(yùn)行、停機(jī)策略及內(nèi)部負(fù)載-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)全工況智能速度控制。

1 永磁電機(jī)驅(qū)動單元的矢量控制算法

永磁電機(jī)驅(qū)動單元的矢量控制原理圖1所示。控制的外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)由輸出電流（id，iq）反饋和電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)構(gòu)成。采用速度傳感器，使永磁電機(jī)驅(qū)動具備在零速下滿轉(zhuǎn)矩輸出特性。

圖1 永磁電機(jī)驅(qū)動單元的控制原理

當(dāng)采用無傳感器控制技術(shù)時，由于重載啟動時永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置不能準(zhǔn)確判斷，使得起動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生劇烈波動，從而造成啟動失敗。通過旋轉(zhuǎn)變壓器反饋轉(zhuǎn)子位置角度，可以在任意時刻獲得永磁轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確的角度值，從而正確控制定子電流提供平穩(wěn)的需求轉(zhuǎn)矩。

另外，在多機(jī)驅(qū)動條件下，當(dāng)采用無傳感器控制技術(shù)時，在零速以及頻率較低時（3～5Hz以下，視變頻器廠家不同而有所不同），也由于永磁轉(zhuǎn)子磁極的位置不準(zhǔn)確，易造成各電機(jī)不能完全同步，并伴隨低頻振動，電流也較大。嚴(yán)重時可能造成個別電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，致使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。而通過速度傳感器反饋轉(zhuǎn)子位置角度，可使各電機(jī)嚴(yán)格同步，有效避免上述問 題，且各電機(jī)負(fù)載得到較好平衡。

2 多點(diǎn)永磁直驅(qū)電動機(jī)實(shí)時回饋校驗智能動態(tài)平衡分配運(yùn)行控制

通過綜合控制柜的多機(jī)系統(tǒng)控制算法對系統(tǒng)各驅(qū)動單元進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)多驅(qū)動部、多點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制。綜合控制單元以主機(jī)轉(zhuǎn)矩為基準(zhǔn)，為從機(jī)分配轉(zhuǎn)矩，使得該驅(qū)動部內(nèi)的各驅(qū)動單元達(dá)到功率平衡。選擇其中一個驅(qū)動單元為主機(jī)，并采用速度控制?？刂破魍ㄟ^綜合計算獲取系統(tǒng)需求總轉(zhuǎn)矩，并計算出從機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩差，以此為依據(jù)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，并通過數(shù)據(jù)傳送，將轉(zhuǎn)矩指令傳送給從機(jī)，使從機(jī)轉(zhuǎn)矩與主機(jī)保持一致，從而達(dá)到以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)驅(qū)動永磁電動機(jī)動態(tài)平衡運(yùn)行工作。

3 起動調(diào)速曲線分段多變化的調(diào)速起車策略

控制系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)的啟動曲線逐漸加速啟動，智能控制系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩跟蹤，使得在重載啟動時，實(shí)施分段加速、恒速、在加速運(yùn)行的控制策略。通過這一策略實(shí)現(xiàn)了重載啟動的自動分段減小加速度、延長加速時間和張力平衡時間，降低了轉(zhuǎn)矩沖擊程度，有效的提高主機(jī)與從機(jī)轉(zhuǎn)矩的同步性，避免了啟動過程中皮帶局部張力過大而整體皮帶整理嚴(yán)重不平衡的情況發(fā)生。

分段變速啟動方案對改善皮帶機(jī)的膠帶運(yùn)行工況，避免了膠帶撕裂和跑偏，大大延長膠帶的使用壽命降低了生全成本，同時相關(guān)連接機(jī)械設(shè)備由于采用柔性啟動策略，大大降低了沖擊力，傳統(tǒng)設(shè)備經(jīng)常損毀難題得已解決。而其它驅(qū)動電機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的。

4 輸送皮帶與傳動滾筒智能打滑抑制策略

在煤炭負(fù)載驟增而引起的皮帶張緊力短時激增，同時在煤粉、水份等潤滑物質(zhì)的作用下導(dǎo)致皮帶與滾筒摩擦力下降，極易產(chǎn)生皮帶與驅(qū)動滾筒之間的滑動即打滑。打滑導(dǎo)致皮帶磨損加劇，并造成滾筒和電機(jī)過速的問題。為此，建立皮帶打滑策略是非常必要的。我們通過實(shí)時監(jiān)測各驅(qū)動滾筒的轉(zhuǎn)速，并與速度控制的電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行校驗，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速5%時，PLC判定為發(fā)生打滑現(xiàn)象，系統(tǒng)立刻啟動打滑抑制策略。打滑抑制策略是通過減小打滑滾筒驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使得該滾筒轉(zhuǎn)速被控制在一個速度滯環(huán)的范圍內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再逐漸增加轉(zhuǎn)矩達(dá)到規(guī)定值。此過程中若再次出現(xiàn)超出轉(zhuǎn)速滯環(huán)范圍時，則再次進(jìn)入打滑抑制控制，直至打滑現(xiàn)象消失。由于皮帶機(jī)采用了智能打滑抑制策略，當(dāng)皮帶機(jī)能自我判斷和處理皮帶打滑問題，從而提高了皮帶系統(tǒng)可靠性、安全性、延長了系統(tǒng)壽命。從根本上消除了皮帶與滾筒產(chǎn)和摩擦高溫的根源，提升了井下生產(chǎn)安全系數(shù)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

該技術(shù)已成功麥垛山煤礦井下順槽帶式輸送機(jī)。應(yīng)用實(shí)踐證明該技術(shù)達(dá)到了設(shè)計需求，取得了良好的效果。

圖2為實(shí)際運(yùn)行的帶式輸送機(jī)頭部兩個驅(qū)動滾筒啟動時的轉(zhuǎn)速電流及功率曲線。圖2（a）為正常啟動工況，圖2（b）為重載啟動工況。由圖可見在正常啟動時，驅(qū)動系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速時以較小斜率運(yùn)行一段時間后及迅速將轉(zhuǎn)速拉到額定轉(zhuǎn)速。而在重載時，在較低轉(zhuǎn)速時有一小段恒速運(yùn)行，且將整個轉(zhuǎn)速上升時間自動加大，保持電流不致過大。整個啟動過程沒有沖擊。數(shù)據(jù)表明柔性啟動策略產(chǎn)生了很好的作用。

圖2 實(shí)測柔性啟動曲線

圖3為多機(jī)運(yùn)行的功率平衡數(shù)據(jù)曲線。由圖可見，所有從機(jī)的功率偏差基本不超過5%，但主機(jī)略高于從機(jī)，但偏差也在10%以內(nèi)。數(shù)據(jù)表明多機(jī)功率平衡策略在啟動及運(yùn)行過程中都產(chǎn)生了很好的作用。

圖3 多機(jī)功率平衡運(yùn)行曲線

結(jié)語：本文介紹了基于伺服控制策略的帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)的構(gòu)成、控制原理、策略以及實(shí)現(xiàn)方法。對系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，仿真結(jié)果表明所采用的方法和控制策略是可行的。根據(jù)本文介紹的方法，實(shí)現(xiàn)了智能重載柔性啟動、智能協(xié)調(diào)控制策略。并在實(shí)際煤礦井下順槽帶式輸送機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用數(shù)據(jù)表明所采用的方法和控制策略是非常有效的。基于伺服控制策略的帶式輸送機(jī)永磁直驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)以其傳動鏈簡化、控制系統(tǒng)優(yōu)越、節(jié)能效果顯著等優(yōu)勢為煤礦帶來較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，也必將為帶式輸送機(jī)行業(yè)解放生產(chǎn)力、節(jié)能降耗、改善環(huán)境做出貢獻(xiàn)。