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有限公司機電動力部，山西 陽泉 045000）

引言

煤礦運輸效率是保證煤礦高效生產(chǎn)的主要因素。對于煤礦運輸而言除了需要帶式輸送機、刮板輸送機、提升機等主要運輸系統(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，當工作面坡度突變時所牽引設(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，本文將重點針對無極繩絞車的調(diào)速控制方式和策略進行研究，為今后設(shè)備控制方式的改進奠定基礎(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)速方式無法實現(xiàn)無極調(diào)速，且在實際生產(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)速方式加速時間較長導(dǎo)致系統(tǒng)的效率偏低、設(shè)備維護成本偏高。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)速方式在實際應(yīng)用中仍存在掉道事故的發(fā)生，影響現(xiàn)場的運輸效率[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V/F 的開環(huán)變頻控制對應(yīng)系統(tǒng)的輸出不穩(wěn)定，機械硬特性一般；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

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)合無極繩絞車的實際運行工況，考慮到液壓調(diào)速方式在工程機械、礦山機械廣泛應(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)速方案進行設(shè)計。

液壓調(diào)速方式目前已經(jīng)應(yīng)用在實際生產(chǎn)中。實踐表明：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。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)計依據(jù)

本文設(shè)計變頻液壓控制系統(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

結(jié)合無極繩絞車調(diào)速工況要求，設(shè)計如下頁圖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)鍵液壓元器件進行選型設(shè)計，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 控制策略對其進行控制。內(nèi)環(huán)PID 控制策略對應(yīng)的各項參數(shù)通過Simulink 軟件進行整定，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)的性能進行評估。

設(shè)定仿真中無極繩絞車的負載扭矩為結(jié)果15 kN·m，無極繩絞車的目標速度為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)達到設(shè)定的速度值，且在整個控制過程中的超調(diào)量較小，最終速度的精度較高；同時，液壓馬達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，可在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。