王　飛

（山西焦煤集團西山煤電股份公司西曲礦，山西　古交　030200）

引言

目前全世界礦井工作面開采所用的采煤機牽引電機均為交流調(diào)速電機[1]，與直流調(diào)速電機相比，該類型的電機節(jié)約制造成本，且調(diào)速穩(wěn)定。隨著煤層開采厚度的不斷增加，對采煤機功率的要求也更高，如果采煤機牽引電機僅設(shè)置為1個，則電機的工作穩(wěn)定性會下降[2]，且電機較大，不利于采煤機割煤，故此時往往通過雙電機牽引采煤機。雙電機參數(shù)的不同往往造成兩個電機運行不同步以及功率不一致[3-4]。對采煤機牽引部雙電機不同協(xié)調(diào)控制方式下的優(yōu)缺點進行比對分析可使采煤機牽引性能得到最大程度的發(fā)揮。國內(nèi)外諸多專家學(xué)者通過采煤機整體模型的建立來研究其受力特征，但在采煤機牽引電機模型的分析上研究甚少，本文主要對采煤機雙電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真分析，從而為雙電機的協(xié)調(diào)控制提供一定依據(jù)。

1　交流調(diào)速電機的模型建立

為了對雙電機的協(xié)調(diào)控制進行仿真分析，先進行單個交流調(diào)速電機的模型建立，所建模型需要為定量分析電機的能量轉(zhuǎn)變提供基礎(chǔ)，由此建立模型時做出如下假設(shè)：

1）鐵芯的導(dǎo)磁系數(shù)是恒定不變的，不受渦流和磁滯等因素的影響；2）交流電機轉(zhuǎn)子在三維方向上均是對稱分布的；3）三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組間的夾角均為120°，故在結(jié)構(gòu)和空間上也是對稱的；

4）三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁動勢在三維空間中表現(xiàn)為正弦特征；

5）定子和轉(zhuǎn)子表面均較為平整光滑；

6）只分析氣隙基波磁場對交流電機的影響，而忽略其他作用。

三相繞組的轉(zhuǎn)動方向為逆時針，在上述假設(shè)基礎(chǔ)上可得定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在三維空間中分布的對稱性，由此得到三相繞組的縱向剖面圖，如圖1所示。

圖1　三相繞組的縱向剖面示意圖

2　交流調(diào)速電機的矢量控制系統(tǒng)

交流調(diào)速電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如果可以把直流電機的數(shù)學(xué)物理模型適當(dāng)轉(zhuǎn)變用于交流調(diào)速電機的模型分析中，則可以簡化計算過程。在電氣調(diào)速傳動系統(tǒng)中，直流電機可以發(fā)揮較好的動態(tài)性能，為了使直流電機這一性能充分應(yīng)用于交流調(diào)速電機中，需要對其矢量控制系統(tǒng)進行研究。

2.1　變化坐標(biāo)

交流調(diào)速電機的原始坐標(biāo)極為復(fù)雜，通過進行合理的轉(zhuǎn)變坐標(biāo)可以得到合理的交流調(diào)速電機物理模型，目前變化坐標(biāo)的方式主要可分為：

1）三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)閮上囔o止坐標(biāo)系，如式（1）所示：

2）兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)槿囔o止坐標(biāo)系，如式（2）所示：

3）兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系，如式（3）所示：

4）兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)閮上囔o止坐標(biāo)系，如式（4）所示：

2.2　電機矢量控制

采煤機交流的雙調(diào)速電機均通過變換矢量進行控制，這樣電機的轉(zhuǎn)矩和磁通均可進行單獨控制，使其容易達到直流電機的調(diào)速效能。交流電機變化矢量的過程可總結(jié)為：把通過矢量旋轉(zhuǎn)將三相定子繞組的控制量轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嘟涣骺刂屏?，通過式（2）獲得三相交流的控制量，并通過該參數(shù)來操控交流調(diào)速電機的工作，完成電機的變換矢量。

在雙電機調(diào)速系統(tǒng)建立仿真模型的基礎(chǔ)上得到了調(diào)速仿真結(jié)果，如圖2所示。

圖2　調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果示意圖

圖2主要得到了時間延長過程中電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及A相電流的變化特征，從圖2中可以看出，雙電機調(diào)速系統(tǒng)的實際速率可以較好地跟蹤給定速率，同時電機調(diào)速效果良好。

3　雙電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

并行控制可以實現(xiàn)采煤機多個電機的協(xié)調(diào)運行，該控制方式主要是對多個電機同時施加信號，使電機不會發(fā)生時間滯后效應(yīng)，同時使之進行同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)?；诖耍⒉⑿锌刂频碾p電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，所建模型中雙電機均受到50m的外載荷作用，電機牽引速率起始值為50 r/s，在5 s內(nèi)速率升至85 r/s，模擬時間設(shè)置為10 s。本次模擬主要對雙電機在受到干擾的影響下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性特征進行研究，如圖3和圖4所示。

圖3　電機1在受到干擾的影響下雙電機轉(zhuǎn)速變化示意圖

圖4　電機2在受到干擾的影響下雙電機轉(zhuǎn)速變化示意圖

從圖3和圖4中可以看出，受到干擾的電機其自身的轉(zhuǎn)速也會受到較大程度的影響，而另一個電機轉(zhuǎn)速不受影響，但二者轉(zhuǎn)速出現(xiàn)差值，最大值可到9 r/min，意味著雙電機無法保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。究其原因，并行控制方式也是開環(huán)控制方式，兩個電機運行獨立、互不干擾，故其中一個電機受到擾動時另一個電機不受其影響，且在受到干擾情況下兩個電機無法保持同步運行，這也顯示了并行控制方式的最大弊端。而耦合控制方式可以建立雙電機轉(zhuǎn)動運行間的關(guān)聯(lián)性，具體控制方式為通過耦合控制器將雙電機運行過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差值發(fā)送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來削弱該差值，使雙電機可以保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。耦合控制方式的基本原理如圖5所示。

圖5　耦合控制方式的基本原理示意圖

本次建立耦合控制雙電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，電機牽引速率起始值為50 r/s，在5 s內(nèi)速率升至85 r/s，模擬時間設(shè)置為10 s。本次模擬同樣主要對雙電機在受到干擾的影響下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性特征進行研究，如下頁圖6、圖7所示。

圖6　電機1在受到干擾的影響下雙電機轉(zhuǎn)速變化示意圖

圖7　電機2在受到干擾的影響下雙電機轉(zhuǎn)速變化示意圖

從圖6、圖7中可以看出，受到干擾的電機其自身的轉(zhuǎn)速幾乎不會受到影響，雙電機的轉(zhuǎn)速始終保持在同一值，充分說明了耦合控制下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器削弱了雙電機轉(zhuǎn)速差值的有效性和及時性，雙電機在干擾影響下也會保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。為了進一步證明耦合控制方式的高效性，對不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機轉(zhuǎn)速的偏差特征進行了研究，如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著時間的延長，不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機的轉(zhuǎn)速偏差可排為：并行控制＞主從控制＞耦合控制。主從控制條件下從電機的轉(zhuǎn)速受控于主電機，故該控制方式下雙電機的轉(zhuǎn)速偏差要小于并行控制。由于主從控制方式下雙電機的響應(yīng)存在遲滯效應(yīng)，所以轉(zhuǎn)速偏差一直存在。圖8更加充分證明了耦合控制雙電機調(diào)速系統(tǒng)的高效性。

4　結(jié)論

1）雙電機調(diào)速系統(tǒng)的實際速率可以較好地跟蹤對給定速率，同時電機調(diào)速效果良好。

2）并行控制下受到干擾的電機其自身的轉(zhuǎn)速會受到較大程度的影響，而另一個電機轉(zhuǎn)速不受影響，但二者轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)差值，最大值可到9 r/min，意味著雙電機無法報紙同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。

圖8　不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機轉(zhuǎn)速偏差隨時間的變化示意圖

3）耦合控制下受到干擾的電機其自身的轉(zhuǎn)速幾乎不受影響，雙電機的轉(zhuǎn)速始終保持在同一值，不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機的轉(zhuǎn)速偏差可排為：并行控制＞主從控制＞耦合控制，由此充分說明了耦合控制下轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器削弱雙電機轉(zhuǎn)速差值的有效性和及時性。

[1]王騰飛.基于無源性的異步電機無速度傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2016.

[2]單長帥.雙電機齒輪同步驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩均衡控制[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]袁天清，王雙翼.發(fā)電廠泵用大功率交流電機變極無差調(diào)速系統(tǒng)研究[C]//中共沈陽市委、沈陽市人民政府.第十二屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會論文集（理工農(nóng)醫(yī)）.中共沈陽市委、沈陽市人民政府，2015（6）：78-79.

[4]何浩，胡吉全，孫振寧.雙動力起升驅(qū)動系統(tǒng)的控制研究[J].起重運輸機械，2015（5）：21-24.