無極繩絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)性能分析

李 鵬

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司機(jī)電動力部，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦運(yùn)輸效率是保證煤礦高效生產(chǎn)的主要因素。對于煤礦運(yùn)輸而言除了需要帶式輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、提升機(jī)等主要運(yùn)輸系統(tǒng)外，還需絞車、架空乘人裝置等輔助系統(tǒng)。對于無極繩絞車而言，隨著煤礦生產(chǎn)效率的不斷提升以及工作面的復(fù)雜程度增加，其傳統(tǒng)調(diào)速控制方式和策略在實(shí)際生產(chǎn)中不同程度地暴露出諸多問題，包括有設(shè)備在啟停階段的沖擊性極大，當(dāng)工作面坡度突變時(shí)所牽引設(shè)備的速度不穩(wěn)定，設(shè)備發(fā)生掉道的頻率增加等[1]。因此，本文將重點(diǎn)針對無極繩絞車的調(diào)速控制方式和策略進(jìn)行研究，為今后設(shè)備控制方式的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 無極繩絞車調(diào)速和控制現(xiàn)狀分析

無極繩絞車主要由尾輪、托繩輪、壓繩輪、張緊裝置、梭車等組成。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著工作面巷道越發(fā)復(fù)雜及工作面生產(chǎn)效率的提升，急需一款高效率、高安全性的無極繩絞車輔助煤礦生產(chǎn)[2]。目前，無極繩絞車在調(diào)速技術(shù)和控制策略等方面無法適應(yīng)現(xiàn)階段煤礦生產(chǎn)的要求，具體總結(jié)如下。

1.1 調(diào)速技術(shù)方面

目前，可應(yīng)用于無極繩絞車的調(diào)速技術(shù)包括機(jī)械式調(diào)速、直流調(diào)速、交流變頻調(diào)速及開關(guān)磁阻調(diào)速等。

機(jī)械式調(diào)速方式具有結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)體積狹小等優(yōu)勢，但是該種調(diào)速方式無法實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，且在實(shí)際生產(chǎn)中容易受到不規(guī)律載荷的沖擊。直流調(diào)速方式具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢；但是，該種調(diào)速方式加速時(shí)間較長導(dǎo)致系統(tǒng)的效率偏低、設(shè)備維護(hù)成本偏高。交流變頻調(diào)速方式結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、動態(tài)性能優(yōu)越、節(jié)能效果好、可實(shí)現(xiàn)裝置的軟啟動、緩解重載或空載啟動階段的沖擊性；但是，該種調(diào)速方式在實(shí)際應(yīng)用中仍存在掉道事故的發(fā)生，影響現(xiàn)場的運(yùn)輸效率[3]。開關(guān)磁阻調(diào)速方式可有效解決啟停階段對系統(tǒng)造成機(jī)械沖擊的問題；但是，該種調(diào)速方式效率低、成本高。

1.2 控制策略方面

對于上述四類調(diào)速方式為了保證無極繩絞車可適應(yīng)煤礦復(fù)雜工況的生產(chǎn)要求，以交流變頻調(diào)速和開關(guān)磁阻調(diào)速方式優(yōu)勢明顯。但是，對于開關(guān)磁阻調(diào)速方式而言還處于研究階段，其很多問題并未從根本上解決，無法穩(wěn)定應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。因此，針對無極繩絞車目前較為成熟的調(diào)速方式為交流變頻調(diào)速方式。

可適用于交流變頻調(diào)速方式的控制策略包括有異步電機(jī)V/F 的開環(huán)變頻控制、矢量小閉環(huán)控制等。其中，異步電機(jī)V/F 的開環(huán)變頻控制對應(yīng)系統(tǒng)的輸出不穩(wěn)定，機(jī)械硬特性一般；矢量閉環(huán)控制的穩(wěn)定性較差，容易在坡度突變的工況下出現(xiàn)速度突變的問題，從而對系統(tǒng)造成沖擊。

2 無極繩絞車調(diào)速及控制方案的設(shè)計(jì)

2.1 無極繩絞車調(diào)速方案的確定

基于上述對各類調(diào)速方式優(yōu)劣性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合無極繩絞車的實(shí)際運(yùn)行工況，考慮到液壓調(diào)速方式在工程機(jī)械、礦山機(jī)械廣泛應(yīng)用的案例及其調(diào)速范圍廣、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性可靠性高以及特有的防爆功能。因此，針對無極繩絞車采用液壓調(diào)速方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

液壓調(diào)速方式目前已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。實(shí)踐表明：基于全液壓控制的調(diào)速方式可有效解決啟停階段對設(shè)備造成沖擊的問題，可明顯降低設(shè)備掉道的頻率；但是，全液壓控制調(diào)速方式還存在效率低、能量損耗較大、噪聲大且使用壽命低的缺點(diǎn)。因此，在全液壓調(diào)速方式的基礎(chǔ)上，本工程擬采用變頻液壓調(diào)速控制方式實(shí)現(xiàn)對無極繩絞車的控制。

2.2 變頻液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)

本文設(shè)計(jì)變頻液壓控制系統(tǒng)最終應(yīng)用無極繩絞車的主要參數(shù)如下頁表1 所示。

表1 無極繩絞車主要參數(shù)

2.3 變頻液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合無極繩絞車調(diào)速工況要求，設(shè)計(jì)如下頁圖1所示的變頻液壓調(diào)速控制系統(tǒng)。

圖1 變頻液壓調(diào)速液壓原理圖

結(jié)合表1 中的主要參數(shù)對圖1 中的關(guān)鍵液壓元器件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，選型結(jié)果如表2 所示。

表2 變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)主要液壓元件選型結(jié)果

3 無極繩絞車變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

針對傳統(tǒng)變頻調(diào)速控制策略存在的問題，本變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)采用內(nèi)環(huán)PID 控制策略對其進(jìn)行控制。內(nèi)環(huán)PID 控制策略對應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)通過Simulink 軟件進(jìn)行整定，最終得出適用于無極繩絞車變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)PID 控制器的各項(xiàng)參數(shù)如下：比例環(huán)節(jié)因子為0.001，微分環(huán)節(jié)因子為0.65，積分環(huán)節(jié)因子為0.02。本文將通過無極繩絞車的牽引速度和液壓馬達(dá)工作壓差的變化情況對基于內(nèi)環(huán)PID 控制策略下的變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。

設(shè)定仿真中無極繩絞車的負(fù)載扭矩為結(jié)果15 kN·m，無極繩絞車的目標(biāo)速度為2.2 m/s。仿真見圖2。

圖2 無極繩絞車牽引速度、馬達(dá)工作壓差仿真結(jié)果

如圖2 所示，基于內(nèi)環(huán)PID 控制的變頻液壓調(diào)速控制系統(tǒng)能夠保證無極繩絞車牽引速度在1.2 s 內(nèi)達(dá)到設(shè)定的速度值，且在整個(gè)控制過程中的超調(diào)量較小，最終速度的精度較高；同時(shí)，液壓馬達(dá)的工作壓差在無極繩絞車的速度穩(wěn)定后也處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文在綜合分析各類調(diào)速方式和控制策略的基礎(chǔ)上，最終確定了基于內(nèi)環(huán)PID 控制器采用變頻液壓調(diào)速方式對無極繩絞車進(jìn)行調(diào)速控制，并完成關(guān)鍵液壓元件的選型。經(jīng)仿真分析可知：基于內(nèi)環(huán)PID 控制策略的變頻液壓調(diào)速控制方式具有較好的響應(yīng)特性、控制精度和較小的超調(diào)量，可在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。