采煤機同步牽引控制系統(tǒng)的設計

劉衛(wèi)峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

傳統(tǒng)采煤機采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對設備進行控制存在啟動轉(zhuǎn)矩小、機械特性軟等問題。為解決傳統(tǒng)采煤機變頻調(diào)速的問題，開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)應用而生，其具有大啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。隨著采煤工作的需求，當設備需要較大驅(qū)動功率時需采用專門指導的大功率電機，大大增加了設備的成本[1]。為此，為采煤機配置兩臺或兩臺以上電動機，由于其對應控制系統(tǒng)性能較差，導致多臺驅(qū)動采煤機存在電機參數(shù)不一致的問題，常引發(fā)電機過載燒毀問題的發(fā)生。為解決上述問題，為開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)設計同步牽引控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對采煤機速度和電機功率的均衡控制。

1 開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)概述

開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)（SRD）為以開關(guān)磁阻電動機為核心的調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)包括有功率變換器、控制單元和檢測單元。其中，開關(guān)磁阻電機為該調(diào)速系統(tǒng)的核心，其主要任務是實現(xiàn)電能量的轉(zhuǎn)換；功率變換器主要任務是實現(xiàn)能量的傳輸，其影響整個調(diào)速系統(tǒng)的性能；控制器為調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，其根據(jù)現(xiàn)場設備的速度反饋和設定速度對功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)器件的開通和關(guān)斷進行控制，從而實現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機的控制；檢測單元主要是對設備位置和電流等信號的檢測，為控制器的策略提供依據(jù)[2]。

結(jié)合采煤機的現(xiàn)場控制需求，其對應的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，其中電流為內(nèi)環(huán)控制，速度為外環(huán)控制，對應的控制策略框圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)控制策略框圖

圖2中的控制模式選擇為調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，在此基礎上能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)采煤機的電機的實時轉(zhuǎn)速信號采用CCC控制模式和APC控制模式。

2 同步牽引控制系統(tǒng)的設計

2.1 交叉耦合同步控制策略的確定

為解決雙開關(guān)磁阻電機驅(qū)動采煤機時存在反饋偏差和電機參數(shù)不一致的問題，對于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)而言，常固定1號開采磁阻電機的功率值不變，對2號磁阻電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)節(jié)控制，保證2號電機與1號電機的功率一致。為進一步減小雙開關(guān)磁阻電機輸出功率的差值，需對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，真正實現(xiàn)對雙電機的牽引控制。

對于同步牽引控制系統(tǒng)而言，可通過主令參考同步控制、主從同步控制以及交叉耦合同步控制。其中，主令參考同步控制系統(tǒng)，當其中一臺電機被擾動時系統(tǒng)的同步性較差；對于主從同步控制系統(tǒng)而言，當從動電機受到負載擾動時主電機得不到反饋，兩電機的同步性受到影響；交叉耦合同步控制具有好的同步性，其對兩臺電機的轉(zhuǎn)速信號進行比對，并將對比結(jié)果作對其中一臺電機的轉(zhuǎn)速進行控制[3]。基于交叉耦合同步控制策略能夠獲得更佳的同步控制精度。因此，本文將采用交叉耦合同步控制策略對采煤機的雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)進行控制，以確保兩電機輸出功率的平衡。

2.2 雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)功率平衡方案的設計

當前雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)的主要控制原理為將從電機的輸出功率與主電機一致，主電機根據(jù)現(xiàn)場設備工況對其速度、負載轉(zhuǎn)矩以及其他參數(shù)進行控制。該控制系統(tǒng)的主要弊病在于：由于主電機和從電機是通過剛性連接完成的，其控制精度與給定速度相關(guān)。實踐應用表明，基于傳統(tǒng)雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)⒅麟姍C和從電機的功率或轉(zhuǎn)矩輸出差控制在10%以內(nèi)，解決了牽引電機被燒毀的問題。但是，基于主從控制方式，從電機的輸出功率完全根據(jù)主電機進行控制，當主電機運行功率低于或者高于其額定功率時，導致牽引系統(tǒng)的整個功率過低或者功率過高，影響整機的運行效率[4]。

為解決上述問題，本文將交叉耦合同步控制策略應用于傳統(tǒng)雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中，最終使得主從電機的功率和轉(zhuǎn)矩偏差更小，系統(tǒng)的響應速度更快。基于交叉耦合同步控制策略的同步牽引控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 基于交叉耦合同步控制策略的同步牽引控制系統(tǒng)原理圖

如圖3所示，基于交叉耦合同步控制策略，當兩臺開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)速不一致時，同時對兩臺電機進行調(diào)整控制，即對大功率電機施加負電流補償信號，對小功率電機施加正電流補償信號，最終達到平衡狀態(tài)。

3 同步牽引控制效果的仿真分析

為驗證基于交叉耦合同步控制策略下的同步牽引控制系統(tǒng)的控制性能，本節(jié)基于MATLAB軟件分別對比傳統(tǒng)主從控制策略和交叉耦合同步控制策略下同步牽引系統(tǒng)的控制效果。所選擇開關(guān)磁阻電機的參數(shù)如表1所示。

3.1 主從控制策略同步牽引系統(tǒng)的控制效果

仿真背景：兩電機分別以額定轉(zhuǎn)速和額定功率運行且電機的負載轉(zhuǎn)矩額定為141 N·m，并在5 s時分別對兩臺電機施加轉(zhuǎn)矩為15 N·m的負載，對同步牽引系統(tǒng)的響應特性進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 開關(guān)磁阻電機參數(shù)

圖4 主從控制策略下同步牽引控制系統(tǒng)的響應特性

如圖4-1所示，當電機受到15 N·m的負載轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)速明顯下降且最大降幅為3.5%；而且，在受到擾動1.5 s后電機又以額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行；如圖4-2所示，1號開關(guān)磁阻電機在階躍負載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩明顯下降，且最大降幅為15 N·m，下降時間為2 s；1號電機在擾動2 s后輸出轉(zhuǎn)矩開始上升，且上升幅度為5.64 N·m；2號開關(guān)磁阻電機在階躍負載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩開始下降，降幅為9.87 N·m，下降時間為4.3 s。總的來說，系統(tǒng)受到負載擾動后，在主從控制策略下兩電機的達到平衡所需時間為4.3 s，且最終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩為131.13 N·m。

3.2 交叉耦合同步控制策略同步牽引系統(tǒng)的控制效果

仿真背景：兩電機分別以額定轉(zhuǎn)速和額定功率運行且電機的負載轉(zhuǎn)矩額定為141 N·m，并在5 s時分別對兩臺電機施加轉(zhuǎn)矩為15 N·m的負載，對同步牽引系統(tǒng)的響應特性進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示：

圖5 交叉耦合同步牽引控制系統(tǒng)的響應特性

如圖5-1所示，當電機受到15 N·m的負載轉(zhuǎn)矩時，電機轉(zhuǎn)速明顯下降且最大降幅為0.5%；而且，在受到擾動1 s后電機又以額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行；如圖5-2所示，1號開關(guān)磁阻電機在階躍負載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩明顯下降，且最大降幅為7.05 N·m，下降時間為0.8 s；1號電機在擾動0.8 s后輸出轉(zhuǎn)矩開始上升；2號開關(guān)磁阻電機在階躍負載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩開始緩慢下降，降幅為4.23 N·m，下降時間為2 s。總的來說，系統(tǒng)受到負載擾動后，在交叉耦合同步控制策略下兩電機的達到平衡所需時間為2 s，且最終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩為136.77 N·m。

4 結(jié)語

雙電機采煤機可滿足實際生產(chǎn)中大功率、大轉(zhuǎn)矩的要求，但是由于雙電機輸出功率不一致常導致電機燒毀的問題。當前，基于主從控制的同步牽引控制系統(tǒng)雖然能夠解決電機燒毀問題，但是其控制精度較差，電機的轉(zhuǎn)速差或功率差值仍然很大[5]。為此，本文基于交叉耦合同步控制策略對雙開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)進行控制，并經(jīng)仿真表明，該控制系統(tǒng)具有響應速度快、輸出轉(zhuǎn)矩偏差小的特點。