選煤廠膠帶機永磁同步電動機技術(shù)研究

張志亮

（山西省河曲縣晉神能源有限公司沙坪洗煤廠，山西 河曲 036500）

1 概 況

隨著技術(shù)的發(fā)展，膠帶機朝著大運量、長距離以及高運速的方向發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于煤礦、選煤廠、碼頭等領(lǐng)域。傳統(tǒng)膠帶機對傾角的要求較高，一般要求不得大于18°，局限了膠帶機的應(yīng)用場所，尤其是在選煤廠。在實際應(yīng)用中，膠帶機的能耗較大，尤其是在大運量、長距離的運輸環(huán)境下。永磁電機為高效節(jié)能的動力裝置，在膠帶機的應(yīng)用前景突出。本文將沙坪洗煤廠膠帶機為例，在分析其動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研究永磁同步電動機技術(shù)在選煤廠膠帶機中的應(yīng)用。

2 膠帶機系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

膠帶機的動力學(xué)模型分為連續(xù)模型和離散模型，連續(xù)模型是將膠帶機看為連續(xù)體，在對模型大量簡化的基礎(chǔ)上采用差分法對其進(jìn)行求解；離散模型將膠帶機分為多個單元，并逐個建立動力學(xué)方程，最終對動力學(xué)方程進(jìn)行求解。

2.1 膠帶機動力學(xué)模型的搭建

在建立膠帶機動力學(xué)模型時需作出如下假設(shè)：將膠帶機等效為在結(jié)構(gòu)、幾何變形的桿；假設(shè)膠帶機上所運輸?shù)奈锪蠟榫鶆蚍植嫉模荒z帶機托輥旋轉(zhuǎn)部分的等效質(zhì)量在輸送帶方向上是處于縱向均勻分布的；運行阻力在膠帶機承載段和回程段的分布是處于縱向均勻分布的，同時視運行阻力系數(shù)與輸送帶運速呈線性關(guān)系；將膠帶機的驅(qū)動裝置、張緊裝置以及涉及到改向滾筒為剛性的；在實際運輸過程中將輸送帶和設(shè)備在橫向和縱向方向的振動視為很小，可忽略不計。

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，選擇膠帶機的阻力計算公式分別建立輸送帶各個單元、張緊裝置、傳動滾筒等模型，并進(jìn)行質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)設(shè)置，如圖1所示。

圖1 膠帶機動力學(xué)仿真模型Fig.1 Dynamic simulation model of belt conveyor

2.2 膠帶機動力學(xué)仿真結(jié)果分析

為避免膠帶機在啟動階段對設(shè)備產(chǎn)生較大的沖擊，要求啟動階段的加速度不能過大。因此，需為膠帶機選擇合理的軟啟動程序，降低膠帶機啟動的慣性力和沖擊作用。為解決上述問題，采用正弦加速度曲線和余弦速度曲線對膠帶機進(jìn)行軟啟動控制，兩種啟動控制方式的對比如下。

余弦速度曲線控制：在t=0、T/2、T時刻時在此控制曲線下，對輸送帶的沖擊為零；在t=T/4、3T/4時在此控制曲線下，對輸送帶的沖擊達(dá)到最大。

正弦加速度曲線控制：在t=0和t=T時刻在此控制曲線下，對輸送帶的沖擊最大。

綜合對比，余弦速度控制曲線下對輸送帶的沖擊力遠(yuǎn)大于正弦加速度控制曲線的情況。因此，最終選擇采用正弦加速度曲線對膠帶機進(jìn)行啟停控制。

（1）不同啟動時間下膠帶機動態(tài)特性。

分別對啟動時間3、5、7和9 s時對應(yīng)的輸送帶在啟動階段的最大張力和最大張力的波動情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同啟動時間對應(yīng)膠帶機的最大張力及其波動幅度情況Fig.2 The maximum tension and fluctuation amplitude of the belt conveyor corresponding to different starting time

隨著啟動時間延長，膠帶機在啟動階段的最大張力和張力的波動情況均在減小，即對膠帶機的沖擊減小。因此，在實際控制中在保證啟動時間不超過限值的基礎(chǔ)上，可盡可能的延長啟動時間，可以有效改善膠帶機的動態(tài)性能，減少對設(shè)備的沖擊。

（2）不同啟動速度下膠帶機動態(tài)特性。

設(shè)定膠帶機的啟動時間為3 s，分別對啟動速度為1.6、2.0、2.5和3.15 m/s情況下膠帶機的最大張力及其波動幅度情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同啟動速度對應(yīng)膠帶機的最大張力及其波動幅度情況Fig.3 The maximum tension and fluctuation amplitude of the belt conveyor corresponding to different starting speeds

隨著啟動速度的增加，膠帶機的在啟動階段的最大張力和張力的波動情況均在增加，即對膠帶機的沖擊增加。但是，當(dāng)啟動速度增加到一定值后，張力和張力幅波動幅度的變化趨勢減緩。因此，在實際控制中可尋求一個最佳運行速度，在保證膠帶機運輸效率的基礎(chǔ)上，減小對系統(tǒng)造成的沖擊。

3 膠帶機永磁同步電動機技術(shù)研究

傳統(tǒng)膠帶機采用大功率異步電動機為核心，并配置減速器、液力耦合器裝置、驅(qū)動滾筒等。傳統(tǒng)異步電動機控制系統(tǒng)存能耗較大、設(shè)備維護困難、對系統(tǒng)沖擊較大以及動態(tài)響應(yīng)特性較差等問題。通過上文可知，系統(tǒng)沖擊極大的問題可通過合理調(diào)整啟動時間和啟動速度解決；而能耗較大的問題，可通過替換永磁同步電動機為核心實現(xiàn)。

3.1 永磁同步電動機參數(shù)的確定

永磁同步電動機與大功率異步電動機相比，其定子和轉(zhuǎn)子鐵心的導(dǎo)磁率較高、損耗較低，可有效降低電機的損耗。鑒于膠帶機電機一般為低速大轉(zhuǎn)矩的狀運行，且對應(yīng)電機的極數(shù)較多。因此，采用永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)為切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可通過提供足夠大的激勵磁場達(dá)到減少額定電流的目的，降低電機的損耗。確定的永磁同步電動機的參數(shù)如下：

定子外徑/mm 1 800

定子內(nèi)徑/mm 1 540

轉(zhuǎn)子外徑/mm 694.4

轉(zhuǎn)子內(nèi)徑/mm 584

鐵心長度/mm 1 110

氣隙長度/mm 420

定子槽數(shù) 48

3.2 永磁同步電機的控制及仿真分析

永磁同步電動機可采用的變頻調(diào)速控制方式有直接轉(zhuǎn)矩控制、恒電壓/頻率比控制、矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制方式下電路中的諧波量較高，且轉(zhuǎn)矩的脈動情況嚴(yán)重，對系統(tǒng)的沖擊較大；恒電壓/頻率比控制容易由于電壓賦值頻率和負(fù)載不匹配導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，且對應(yīng)的控制硬件成本較高；矢量控制方式又稱為磁場定向控制，該控制方式為三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本文采用PMSM矢量控制方式對永磁同步電機進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of vector control system for permanent magnet synchronous motor

為驗證永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的性能，基于MATLAB軟件對控制性能進(jìn)行仿真分析，設(shè)定電動機參數(shù)，永磁同步電動機極對數(shù)為4，電機定子的電感為8.5 mH，定子電阻值為2.875Ω，轉(zhuǎn)動慣量為0.003 kg·m2。

仿真周期設(shè)定為10μs，仿真時間設(shè)定為0.4 s，PWM的開關(guān)頻率設(shè)定為10 kHz，對應(yīng)的速度環(huán)模糊控制器的參數(shù)分別為c=60、q=300、ε=200。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)永磁電動機載荷發(fā)生突變時，線路中的電流明顯上升，對應(yīng)的永磁同步電動機轉(zhuǎn)速瞬間下降，但在極短時間內(nèi)調(diào)整完成，上升至原轉(zhuǎn)速。也就是說，在實際應(yīng)用中發(fā)生載荷突變時，線路電路響應(yīng)增加，整個控制過程中較短，響應(yīng)速度較快，控制過程也相對平滑。

此外，永磁同步電動機與傳統(tǒng)大功率異步電動機節(jié)能效果對比見表1。

表1 永磁同步電動機節(jié)能效果Table 1 Energy saving effect of permanent magnet synchronous motor

采用永磁同步電動機后在相同工況下系統(tǒng)能耗明顯降低，整體節(jié)能效果22.3%，功率因數(shù)提高49.3%。

4 結(jié) 論

膠帶機是選煤廠的主要運輸設(shè)備之一，傳統(tǒng)膠帶機在實際應(yīng)用中存在能耗較大、在負(fù)載發(fā)生突變時系統(tǒng)不穩(wěn)定以及啟停階段對系統(tǒng)的沖擊較大等問題。為此，以沙坪洗煤廠膠帶機為例，開展膠帶機的動力學(xué)特性仿真分析和永磁同步電動機技術(shù)的應(yīng)用研究。

（1）根據(jù)膠帶機動力學(xué)特性仿真結(jié)果，可通過延長啟動時間，將啟動速度控制在合理范圍，減小膠帶機在啟動階段對系統(tǒng)造成的沖擊。

（2）采用PWSM矢量控制方式對永磁同步電動機的控制，在設(shè)備負(fù)載發(fā)生突變時可在極短時間內(nèi)完成響應(yīng)控制，保證整個控制處于平穩(wěn)狀態(tài)。

（3）采用永磁同步電動機后，與采用傳統(tǒng)大功率異步電動機相比，整體節(jié)能效果22.3%，功率因數(shù)提高49.3%。