刮板輸送機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

李劍波

摘 要：為了解決原有刮板輸送機(jī)啟動波動大、穩(wěn)定性差的問題，本文介紹了一種基于高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機(jī)初始位置監(jiān)測法，給出高頻脈振電壓注入法的檢測原理，并利用Matlab仿真模擬對基于1/F和基于高頻脈振電壓注入法啟動的電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比，驗證了基于高頻脈振電壓注入法啟動的優(yōu)越性，為刮板輸送機(jī)的電機(jī)啟動作出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機(jī);仿真模擬;永磁同步電機(jī)

1 前言

刮板輸送機(jī)是綜采工作面運(yùn)輸?shù)闹饕獧C(jī)械設(shè)備，其具有大距離、大功率及高速度的特點(diǎn)。但由于低速異步電機(jī)技數(shù)多，輕載電流大，功率因素低的問題使得電機(jī)的維護(hù)成本增加，使得礦山的經(jīng)濟(jì)效益下降。為了解決此類問題，許多學(xué)者對刮板輸送機(jī)電機(jī)進(jìn)行研究，永磁同步電機(jī)由于采用多永磁勵磁，可以有效的提升電機(jī)的效率及功率因素。本文基于大功率永磁同步電機(jī)對刮板輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計，有效的提升了刮板輸送機(jī)的效率且實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的，為礦山的經(jīng)濟(jì)效益作出一定的貢獻(xiàn)。

2 高頻脈振電壓注入法分析

刮板輸送機(jī)的調(diào)速裝置主要由交流電機(jī)及變頻器組成，在礦井的高瓦斯環(huán)境中，調(diào)速裝置必須具有防爆的能力，永磁同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通的交流電機(jī)基本類似，但其轉(zhuǎn)子是采用永磁體結(jié)構(gòu)形成的轉(zhuǎn)子磁鏈，永磁同步電機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為表貼式和內(nèi)置式。同時由于刮板輸送機(jī)的工況使得永磁電機(jī)必須具有無位置傳感控制的能力，所以基于脈沖電壓注入法對電機(jī)的初始位置進(jìn)行檢測，對電機(jī)靜止時轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測，以達(dá)到實時監(jiān)測刮板輸送機(jī)運(yùn)行情況。

在進(jìn)行帶式輸送機(jī)啟動后，需要對永磁同步電機(jī)的基本位置進(jìn)行確定，且在檢測的過程中需要保證電機(jī)的靜止。所以需要基于脈沖電壓注入法對永磁同步電機(jī)進(jìn)行位置檢測。脈沖電壓注入法檢測原理圖如1所示。

如圖1脈沖電壓注入法檢測原理圖可以看出，在電機(jī)的定子端輸入振幅為usm的電壓矢量n1個，同時在n1Tc至n2Tc時間段內(nèi)不進(jìn)行電壓矢量的注入，此時需要確保永磁同步電機(jī)的定子自由衰退，達(dá)到零值。如圖2為注入電壓矢量的順序圖。

如圖2注入電壓矢量順序圖可以看出，注入的6個電壓矢量的注入角度分別為0°、60°、120°、180°、240°和300°，選取定子電量幅值最大值的角度θ1*，如圖2（b）可知注入2個電壓矢量，注入的角度為θ1*-30°和θ1*+30°，此時對比三個角度注入的電壓矢量電流幅值，選定幅值的最大值作為θ2*，如圖2（c）為θ2*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ2*-15°和θ2*+15°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ3*，如圖2（b）為θ3*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ3*-7.5°和θ2*+7.5°，樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ4*，如圖2（e）為θ4*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ4*-3.75°和θ4*+3.75°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ5*，如圖2（f）為θ5*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ5*-1.875°和θ5*+1.875°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ6*，如圖2（g）為θ6*角度下注入2個電壓矢量，注入的角度分別為θ2*-0.94°和θ2*+0.94°，同樣對比三個注入角度下定子電流幅值，選定幅值的最大值定子作為θ7*，此時θ7*則為轉(zhuǎn)子的初始位置。可以看出基于脈沖電壓注入法測得的永磁同步電機(jī)初始位置的方法檢測精度為0.94°，檢測的精度較高，同時檢測精度也受到采集電流精度的干擾。

3 仿真模擬

為了檢測永磁同步電機(jī)調(diào)速方案的可行性，在Matlab軟件中進(jìn)行仿真研究，永磁電機(jī)的仿真參數(shù)分別為電機(jī)極對數(shù)30;電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為60r/min;電機(jī)的額定功率、額定電壓及額定電流分別為630kW、1140V和330A。同時為了驗證刮板輸送機(jī)的重載啟動性能，設(shè)置電機(jī)的啟動復(fù)載轉(zhuǎn)矩為40kN/m，同時電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.8倍，所有最大啟動轉(zhuǎn)矩180kN/m。啟動的電機(jī)轉(zhuǎn)速為5r/min，電機(jī)啟動采取1/F的啟動方式進(jìn)行仿真。當(dāng)采用1/F的啟動方式啟動時，保持啟動的電流恒定，此時的隨著電機(jī)啟動時間的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出在5s內(nèi)的快速上升趨勢，在時間為5s時，此時的的電機(jī)轉(zhuǎn)速度為5r/min，達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，基于1/F的刮板輸送機(jī)啟動時間較長，在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速持續(xù)保持在5r/min并產(chǎn)生一定的波動，波動幅度較大。同時觀察基于1/F的刮板輸送機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出在相同的電流下電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩波動較大，這是由于電流的輸入角度與實際電機(jī)的轉(zhuǎn)子初位處在較大的偏差，所以造成電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩小于額定的啟動轉(zhuǎn)矩，電機(jī)啟動時間較長，啟動效果較差。基于高頻脈振電壓注入法的刮板輸送機(jī)啟動波形圖如圖3所示。

如圖3所示為基于高頻脈振電壓注入法啟動轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出當(dāng)采用高頻脈振電壓注入法啟動方式啟動時，保持啟動的電流恒定，此時的隨著電機(jī)啟動時間的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出在3s內(nèi)的快速上升趨勢，在時間為3s時，此時的的電機(jī)轉(zhuǎn)速度為5r/min，達(dá)到目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，可以看出高頻脈振電壓注入法較于1/F的刮板輸送機(jī)啟動時間有了明顯的縮減，在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速持續(xù)保持在5r/min并不會出現(xiàn)波動情況。同時觀察基于高頻脈振電壓注入法刮板輸送機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看出在相同的電流下電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩瞬間達(dá)到最大值，這是由于電流的輸入角度與實際電機(jī)的轉(zhuǎn)子初位處誤差較小，電機(jī)的位置得到較好的監(jiān)測，啟動效果較好。可以看出基于高頻脈振電壓注入法對電機(jī)的啟動有了較好的優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文結(jié)合刮板輸送機(jī)實際運(yùn)行情況，研究了高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機(jī)定子初始位置檢測法，介紹了高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機(jī)定子初始位置檢測法的原理，并基于仿真模擬對基于1/F啟動刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的波形圖進(jìn)行分析，給出了啟動的不足，并仿真模擬了基于高頻脈振電壓注入法啟動波形圖，發(fā)現(xiàn)基于高頻脈振電壓注入法的電機(jī)啟動具有啟動時間短、波動小、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為刮板輸送機(jī)的電機(jī)優(yōu)化作出一定的貢獻(xiàn)。