永磁直驅礦用帶式輸送機系統關鍵控制策略研究

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司麥垛山煤礦 倪少軍

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司金家渠煤礦 沈銘華

隨著永磁材料的熱穩定性和耐腐蝕性的改善以及電力電子器件的進一步發展，永磁電機驅動技術的開發和應用也進入了新階段。目前我國永磁電機已應用于許多行業，單機容量已達數MW。許多煤礦開始采用永磁變頻電機直驅系統對新設備配置或對老設備進行改造，使得煤礦井下帶式輸送機的機械傳動結構變得更加簡單和高效，既減輕了日常維護工作，又提高了設備效率和系統可靠性。

但是，目前綜采工作面的順槽輸送機所使用的變頻驅動系統多采用無位置傳感器控制技術，在以下幾點上還無法滿足井下實際使用工況要求：①在順槽皮帶運行中多點驅動無法有效平衡功率，各點驅動存在著相互拉扯造成皮帶震蕩跳動影響皮帶使用壽命和安全運行；②在順槽皮帶重載或滿載停車時，由于多點驅動無法有效平衡功率，雖然單機功率富于度很大但無法在重載啟動時形成合力造成順槽皮帶啟動困難，嚴重影響煤礦生產效率和產量；③井下綜采工作面大量使用水進行降塵處理，使得順槽皮帶表面沾滿煤粉水合物致使皮帶與滾筒極易發生滑動。

此外，順槽輸送機控制策略和技術還無法有效解決大運距重型帶式輸送機所需的平滑重載啟動、多點驅動功率平衡、協調控制等技術難題，因此，本文采用永磁直驅系統方案。整個系統通過綜合控制裝置執行多驅系統控制策略和算法。綜合控制器實時監測各套驅動系統，并完成相應控制策略。綜合控制器根據預設定啟動、運行、停機策略及內部負載-轉速調節策略，實現驅動系統全工況智能速度控制。

1 永磁電機驅動單元的矢量控制算法

永磁電機驅動單元的矢量控制原理圖1所示。控制的外環為速度環，內環由輸出電流（id，iq）反饋和電流調節環節構成。采用速度傳感器，使永磁電機驅動具備在零速下滿轉矩輸出特性。

圖1 永磁電機驅動單元的控制原理

當采用無傳感器控制技術時，由于重載啟動時永磁電機轉子磁極的位置不能準確判斷，使得起動轉矩產生劇烈波動，從而造成啟動失敗。通過旋轉變壓器反饋轉子位置角度，可以在任意時刻獲得永磁轉子準確的角度值，從而正確控制定子電流提供平穩的需求轉矩。

另外，在多機驅動條件下，當采用無傳感器控制技術時，在零速以及頻率較低時（3～5Hz以下，視變頻器廠家不同而有所不同），也由于永磁轉子磁極的位置不準確，易造成各電機不能完全同步，并伴隨低頻振動，電流也較大。嚴重時可能造成個別電機處于發電狀態，致使系統不能正常運行。而通過速度傳感器反饋轉子位置角度，可使各電機嚴格同步，有效避免上述問 題，且各電機負載得到較好平衡。

2 多點永磁直驅電動機實時回饋校驗智能動態平衡分配運行控制

通過綜合控制柜的多機系統控制算法對系統各驅動單元進行控制，可實現多驅動部、多點的協調控制。綜合控制單元以主機轉矩為基準，為從機分配轉矩，使得該驅動部內的各驅動單元達到功率平衡。選擇其中一個驅動單元為主機，并采用速度控制。控制器通過綜合計算獲取系統需求總轉矩，并計算出從機實際轉矩差，以此為依據進行PI調節，并通過數據傳送，將轉矩指令傳送給從機，使從機轉矩與主機保持一致，從而達到以實現多點驅動永磁電動機動態平衡運行工作。

3 起動調速曲線分段多變化的調速起車策略

控制系統通過預設的啟動曲線逐漸加速啟動，智能控制系統通過轉矩跟蹤，使得在重載啟動時，實施分段加速、恒速、在加速運行的控制策略。通過這一策略實現了重載啟動的自動分段減小加速度、延長加速時間和張力平衡時間，降低了轉矩沖擊程度，有效的提高主機與從機轉矩的同步性，避免了啟動過程中皮帶局部張力過大而整體皮帶整理嚴重不平衡的情況發生。

分段變速啟動方案對改善皮帶機的膠帶運行工況，避免了膠帶撕裂和跑偏，大大延長膠帶的使用壽命降低了生全成本，同時相關連接機械設備由于采用柔性啟動策略，大大降低了沖擊力，傳統設備經常損毀難題得已解決。而其它驅動電機是無法實現的。

4 輸送皮帶與傳動滾筒智能打滑抑制策略

在煤炭負載驟增而引起的皮帶張緊力短時激增，同時在煤粉、水份等潤滑物質的作用下導致皮帶與滾筒摩擦力下降，極易產生皮帶與驅動滾筒之間的滑動即打滑。打滑導致皮帶磨損加劇，并造成滾筒和電機過速的問題。為此，建立皮帶打滑策略是非常必要的。我們通過實時監測各驅動滾筒的轉速，并與速度控制的電機的轉速進行校驗，當轉速超過額定轉速5%時，PLC判定為發生打滑現象，系統立刻啟動打滑抑制策略。打滑抑制策略是通過減小打滑滾筒驅動電機的輸出轉矩，使得該滾筒轉速被控制在一個速度滯環的范圍內。當轉速穩定后，再逐漸增加轉矩達到規定值。此過程中若再次出現超出轉速滯環范圍時，則再次進入打滑抑制控制，直至打滑現象消失。由于皮帶機采用了智能打滑抑制策略，當皮帶機能自我判斷和處理皮帶打滑問題，從而提高了皮帶系統可靠性、安全性、延長了系統壽命。從根本上消除了皮帶與滾筒產和摩擦高溫的根源，提升了井下生產安全系數。

5 系統應用

該技術已成功麥垛山煤礦井下順槽帶式輸送機。應用實踐證明該技術達到了設計需求，取得了良好的效果。

圖2為實際運行的帶式輸送機頭部兩個驅動滾筒啟動時的轉速電流及功率曲線。圖2（a）為正常啟動工況，圖2（b）為重載啟動工況。由圖可見在正常啟動時，驅動系統在較低轉速時以較小斜率運行一段時間后及迅速將轉速拉到額定轉速。而在重載時，在較低轉速時有一小段恒速運行，且將整個轉速上升時間自動加大，保持電流不致過大。整個啟動過程沒有沖擊。數據表明柔性啟動策略產生了很好的作用。

圖2 實測柔性啟動曲線

圖3為多機運行的功率平衡數據曲線。由圖可見，所有從機的功率偏差基本不超過5%，但主機略高于從機，但偏差也在10%以內。數據表明多機功率平衡策略在啟動及運行過程中都產生了很好的作用。

圖3 多機功率平衡運行曲線

結語：本文介紹了基于伺服控制策略的帶式輸送機永磁直驅系統的構成、控制原理、策略以及實現方法。對系統進行了建模和仿真，仿真結果表明所采用的方法和控制策略是可行的。根據本文介紹的方法，實現了智能重載柔性啟動、智能協調控制策略。并在實際煤礦井下順槽帶式輸送機上進行了應用，應用數據表明所采用的方法和控制策略是非常有效的。基于伺服控制策略的帶式輸送機永磁直驅系統技術以其傳動鏈簡化、控制系統優越、節能效果顯著等優勢為煤礦帶來較好的技術經濟效益，也必將為帶式輸送機行業解放生產力、節能降耗、改善環境做出貢獻。