刮板輸送機雙電機驅動變頻控制策略研究

賀虎成，王 成，師 磊，張晨陽

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054)

煤炭行業作為國家的經濟支柱，在整個社會發展中具有重要地位。2019年我國原煤產量為38.5億t，同比增長4.0%[1]。隨著社會和工業技術發展，能源消費將會越來越多，煤炭仍是國家長期的主要能源[2，3]。然而，近年來我國各地煤礦開采難度愈來愈大，由于煤礦的常年開采導致煤層發生沉積變化，亟需利用高新技術來提高采煤效率、安全性和可靠性[4，5]。在實現“一礦一井一面”的高度集約化生產模式中，作為綜采工作面的主要設備，刮板輸送機對綜采工作面的生產能力產生重要影響[6，7]。

20世紀80年代以來，長運距、大運量、大功率、長壽命、高強度與高可靠性一直是國內外刮板輸送機的發展方向[8-11]。由于井下綜采工作面空間狹窄，刮板輸送機工作環境惡劣，同時運量、運距和功率的增大導致刮板輸送機頻繁重載啟動，電能損耗變大，各種因素導致綜采工作面的運行可靠性降低，并且造成大量電能的浪費。同時，當刮板輸送機處于雙電機驅動時，由于兩臺電機受各種因素的影響導致參數不一致，使得兩臺電機功率分配不平衡[12-14]。電機功率不平衡會造成各電機的壽命不一，多機驅動的優勢無法充分發揮。

目前，刮板輸送機驅動系統的改良主要從啟動和功率平衡兩方面進行優化[15，16]。啟動問題的優化能夠減小電能損耗、提高綜采工作面可靠性。功率平衡問題的解決能夠防止一機過載一機欠載的情況，有效利用刮板輸送機的裝機功率。鑒于此，本文針對刮板輸送機功率平衡問題進行研究。

1 雙機驅動系統功率不平衡分析

刮板輸送機是一種以刮板鏈為工作機構的綜采面輸送設備。其驅動系統分為單電機驅動和雙電機驅動，雙電機驅動時刮板輸送機是由兩臺電機分別組成一個傳動系統，帶動同一刮板鏈實現煤炭的運輸。這里對以液力耦合器為啟動裝置的雙電機驅動系統進行分析，刮板輸送機的驅動系統主要由鏈輪軸、減速器、液力耦合器、電機和刮板鏈條等組成，如圖1所示。

圖1 刮板輸送機雙電機驅動系統

通常相同參數兩電機在同一工作環境下的運行轉速、輸出轉矩完全相同，但是兩電機參數不一致時，易出現運行轉速和輸出轉矩不一致，從而導致功率分配不平衡問題。本文采用2臺同一型號電機，并對其機械特性進行仿真分析。假設電機轉速為1400r/min，當負載轉矩為220N·m時，兩臺電機應分別承擔110N·m的負載轉矩。但是由于在制造過程產生的電動機分散性等因素，使得電機1、2承擔的負載轉矩分別是100N·m、120N·m。圖2為轉子電阻有差異時的電機特性曲線。

圖2 轉子電阻有差異時的兩電機特性曲線

由圖2可知，當兩臺電機轉子電阻不同時，相同轉速下輸出轉矩存在明顯差距。除此之外，兩電機的同步轉速和額定轉速對功率分配也會產生影響。在工程應用中，電機的機械特性常以直線來代替，其特性為：

T=kn+d

(1)

式中，T為電機工作力矩，N·m；k為電機機械特性常數；n為電機輸出轉速，r/min；d為電機機械特性曲線截距，N·m。其中，

k=Te/ne-n0

(2)

d=-k/n0

(3)

式中，ne表示電機額定轉速，n0表示電機同步轉速，r/min；Te表示電機額定轉矩，N·m。

機頭電機輸出力矩為：

T1=k1n1+d1

(4)

機尾電機輸出力矩為：

T2=k2n2+d2

(5)

機頭輸出功率為：

P1=T1ω=2T1πn

(6)

機尾輸出功率為：

P2=T2ω=2T2πn

(7)

則機頭機尾電機功率相對差為：

式中，ne1為機頭電機額定轉速；ne2為機尾電機額定轉速；n01為機頭電機同步轉速；n02為機尾電機同步轉速，r/min。

根據以上分析可知，負載不會對機頭機尾電機功率分配產生影響，對功率分配起決定性作用的是兩電機的額定轉速和同步轉速。對多機驅動功率平衡產生影響的因素有很多種，但是這些因素的影響最終將折合到電動機軸上，使得電動機轉矩輸出受到影響。

2 雙電機驅動變頻控制策略

刮板輸送機驅動電機的變頻控制策略決定了刮板輸送機能否高效穩定運行。針對功率不平衡問題，本文設計了基于主從控制原則的控制策略。目前，刮板輸送機驅動系統常采用矢量控制和直接轉矩控制作為其變頻控制方式，但是這兩種控制方式仍存在一些弊端。相比于這兩種控制方式，模型預測控制擁有更好的魯棒性和動態性能。本文結合模型預測控制，建立了基于電流模型預測控制和直接轉矩模型預測控制的刮板輸送機變頻控制策略，既繼承了矢量控制和直接轉矩控制的優點，又凸顯了模型預測控制的優勢[17-19]。雙電機驅動模型預測控制如圖3所示，其中主驅動電機IM1采用電流模型預測控制，從驅動電機IM2采用直接轉矩模型預測控制。為了便于描述和分析，本文假定機頭電機為主驅動電機，機尾電機為從驅動電機。

為了便于計算，可由式(10)推導出在不考慮制造過程產生的誤差、機構等因素的影響條件下兩電機的轉矩分配比值為：

式中，T1、T2分別為主、從驅動電機電磁轉矩，Te1、Te2分別為主、從驅動電機額定轉矩，N·m。

圖3 雙電機驅動模型預測控制

2.1 主驅動電機電流模型預測控制

基于矢量控制對定子電流的d-q軸分量獨立進行控制，同時通過采用預測控制算法對定子電流進行預測跟蹤，從而實現電流模型預測控制。

圖4 主驅動電機電流模型預測控制框圖

在電流預測中，d-q軸的電流分量具有相同性質，可以通過相同的方式處理此變量。因此，電流模型預測控制中的目標函數為：

主驅動電機定子電流預測值為：

主驅動電機轉子磁鏈觀測值為：

圖5 主驅動電機電流模型預測控制流程

2.2 從驅動電機直接轉矩模型預測控制

直接轉矩模型預測控制主要分為三個步驟：首先采集電流、轉速和開關矢量k時刻的值，并通過采樣值對轉子磁鏈和定子磁鏈進行估算，然后根據感應電機預測模型得到定子磁鏈和轉矩在k+1時刻的值，最后根據磁鏈和轉矩的預測值構造目標函數。根據模型預測控制對目標函數最優化的要求，需要對兩電平8種開關狀態的電壓矢量進行遍歷，然后篩選出合適的輸出矢量。輸出矢量的篩選規則為：選擇能夠使得目標函數數值最小的開關矢量作為輸出矢量。

圖6 從驅動電機直接轉矩模型預測控制

在直接轉矩預測控制中，目標函數中包含兩個不同性質的控制變量。因此，為了對兩個變量進行歸一化處理，需要引入權值分配兩個變量的重要性。直接轉矩預測控制目標函數的主要部分為：

定子磁鏈觀測值為：

轉子磁鏈觀測值為：

式(15)、式(16)中下標s表示定子，下標2為從驅動電機；下標r表示轉子；下標α表示α坐標軸上的分量；下標β表示β坐標軸上的分量；Tr2=Lr2/Rr2表示轉子時間常數，s；ωr2表示轉子角速度，rad/s；Lm2表示互感，H。

定子磁鏈預測值為：

轉矩預測值為：

式中，np為電機極對數。

圖7 從驅動電機直接轉矩模型預測控制算法流程

3 雙電機驅動變頻控制策略仿真分析

為了驗證刮板輸送機雙電機驅動變頻控制策略的可行性，通過MATLAB/Simulink進行仿真分析。

3.1 主從電機相同參數仿真

選擇相同參數電機進行仿真分析，電機參數見表1。

表1 電機參數

電機空載起動，在2s時突加負載，負載轉矩為200N·m，2.5s時負載轉矩為0，3s時電機升速至1146r/min，此過程始終保持轉矩分配為1∶1。仿真結果如圖8所示。

為驗證不同轉矩分配比下轉矩跟隨能力，設置轉矩分配比K=1∶1.2。電機空載起動，在2s時突加負載，負載轉矩為200N·m，2.5s時負載轉矩為0，3s時電機升速至1146r/min。仿真結果如圖9所示。

圖8 K=1∶1時仿真波形

圖9 K=1∶1.2時仿真波形

圖8顯示設置轉矩分配比K=1∶1時，主從電機轉速可保持一致，加載期間主從電機轉矩均值分別為100N·m、100N·m，實際轉矩比保持在1∶1，結果表明該控制策略在兩電機參數一致時能有效解決功率平衡問題。

圖9顯示改變轉矩分配比為K=1∶1.2時，主從電機轉速可保持一致，加載期間主從電機轉矩均值分別為90N·m、110N·m，實際轉矩比保持在1∶1.2，結果表明轉矩分配比改變，兩電機轉速能夠完全保持一致，主從電機的輸出轉矩跟隨轉矩分配比。

3.2 主從電機不同參數仿真

保持主電機功率不變，改變從電機功率。從電機參數見表1。電機空載起動，在2s時突加負載，負載轉矩為200N·m，2.5s時負載轉矩為0，3s時電機升速至1146r/min，仿真結果如圖10所示。

圖10 兩電機功率不一致仿真波形

對圖10分析可得，當主從電機功率不一致時，該控制方式仍能保證兩電機轉速完全一致。轉矩方面，主電機轉矩與從電機轉矩之間的跟隨性良好，轉矩分配比與兩電機功率比值保持一致。理論分析此時兩電機轉矩分配比應為2∶1，圖10(c)和10(d)可知設置轉矩分配比K=2∶1時兩電機實際轉矩在加載和減載時的比值基本維持在2(±0.25)。因此，該控制策略能夠合理的解決各種情況下的功率平衡問題。

4 結 語

本文針對刮板輸送機驅動系統工作時功率分配不均問題進行了研究。結合模型預測控制建立了刮板輸送機雙電機驅動變頻控制策略，并通過仿真進行分析。仿真結果表明，基于模型預測控制的刮板輸送機驅動系統控制策略具有較強的穩定性，可以有效實現雙電機功率平衡，是一種比較適合于刮板輸送機的雙電機驅動變頻控制策略。