孟園泰

（山西陽泉煤業(yè)集團壽陽開元礦業(yè)有限公司， 山西 壽陽 045400）

引言

隨著煤礦開采能力和采煤機械化水平的不斷提高，對于采煤機牽引系統(tǒng)的要求也愈加嚴(yán)格。目前采煤機主要以主從控制方式為主，由于此控制方式存在滯后和銷輪銷軌嚙合偏載的情況，不能完全實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的目的，為此，不少學(xué)者已從相關(guān)方面入手。成鳳鳳等通過三維軟件UG，研究了采煤機牽引部的物理及力學(xué)參數(shù)變化，結(jié)果為刮板機銷軌的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和大節(jié)距銷軌研究提供了依據(jù)[1]。周笛、趙麗娟、徐建超等通過三維機械軟件和分析軟件，通過研究采煤機牽引部最薄弱環(huán)節(jié)，為有效地提高采煤機整機的壽命和對其進行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)[2-4]。

本文在學(xué)者已有的研究基礎(chǔ)上，從動力學(xué)角度出發(fā)，研究了采煤機牽引部雙電機驅(qū)動協(xié)調(diào)動態(tài)響應(yīng)，提出了可靠的采煤機控制方式。

1 異步電機在三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型

采煤機是煤礦綜采的重要設(shè)備之一，在煤礦井下開采過程中，如若發(fā)生故障，將對生產(chǎn)造成巨大的損失。隨著煤礦生產(chǎn)能力以及機械化水平的提高，采煤機由傳統(tǒng)的單一電機牽引轉(zhuǎn)化為雙電機牽引的方式，彌補了傳統(tǒng)采煤機單一電機牽引功率不足的缺陷，雙電機牽引雖然功率足夠，提高了采煤機的工作效率，但是因為雙電機參數(shù)不一致，很難達到同精度的運行，進而導(dǎo)致電動機實際功率有偏差，以致電動機過載損壞，影響生產(chǎn)的順利進行。因此對于雙電機驅(qū)動的采煤機協(xié)調(diào)調(diào)控的研究就顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外已有不少學(xué)者通過adams、UG等軟件建立采煤機模型，進而研究采煤機的受力狀況。本文主要研究采煤機整個牽引系統(tǒng)在運行過程中的動態(tài)響應(yīng)，為了更好地建立牽引系統(tǒng)的仿真模型，因此用三相交流異步電機動態(tài)數(shù)學(xué)模型建立電機模型。

在建立三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型時，為了便于能量的轉(zhuǎn)化分析計算，需對電機進行以下假設(shè)：

1）無論是單電機驅(qū)動還是雙電機驅(qū)動，導(dǎo)磁系數(shù)都為常數(shù)，忽略磁飽和以及磁滯和集膚等的影響；

2）電機轉(zhuǎn)子為對稱結(jié)構(gòu)即電磁路也為對稱結(jié)構(gòu)；定子的繞組角度以及結(jié)構(gòu)完全相同；

3）定子與轉(zhuǎn)子表面均是光滑的，且均產(chǎn)生正弦分布的磁動勢；

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，定子與轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流方向均需滿足發(fā)電機慣例，且定子產(chǎn)生正值磁鏈為負(fù)電流，轉(zhuǎn)子則為正電流。

根據(jù)上述規(guī)定，定子、轉(zhuǎn)子電壓方程如下所示：

式中：Rs為定子電阻、Rr為轉(zhuǎn)子電阻；usA、isA、ψsA分別為定子的電壓、電流、磁鏈；ura、ira、ψra分別為轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈。

定轉(zhuǎn)子的矩陣表達式為：

式中：Lrs為轉(zhuǎn)子互感矩陣，θr為定子與轉(zhuǎn)子空間相位角。

采煤機采用雙電機驅(qū)動時，多電機驅(qū)動時的性能同步性決定了采煤機采煤效率的高低，傳統(tǒng)的采煤機控制方式為主從控制，采用主從控制可根據(jù)主電機的輸出轉(zhuǎn)速得到附加在主電機上的速度變化以及負(fù)載變化，此效果為單項，并不能從其他電機得到主電機的電流以及負(fù)載變化，因此不能保證電機同步。

2 采煤機牽引部機電的聯(lián)合仿真分析

目前，許多煤礦采用雙電機驅(qū)動牽引采煤機以提高工作效率，通過功率調(diào)節(jié)器減少兩臺電機的偏載率，從而減少載荷不均造成的機械設(shè)備損壞事故，但是，因為電機采用主從控制的方式，一旦主電機的額定功率過高或過低，系統(tǒng)仍然以主電機的輸出功率作為參考，功率較小時，可能導(dǎo)致整個機械設(shè)備輸出功率不足，影響生產(chǎn)的順利進行，當(dāng)輸出功率較大時，采煤機牽引部會燒毀，且損壞電機，此時，因為主電機輸出功率的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)內(nèi)偏載現(xiàn)象嚴(yán)重。為了提高設(shè)備的工作效率，延長電動機的使用壽命，應(yīng)及時改進采煤機牽引部雙電機驅(qū)動協(xié)調(diào)控制方法，減少不同電機偏載率，提高設(shè)備的運行效率。

采煤機牽引部的聯(lián)合仿真模擬包含了機械系統(tǒng)與電機系統(tǒng)仿真兩部分，通過在Adams中建立狀態(tài)變量，利用control模塊，實現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)的傳遞，根據(jù)上述異步電機在三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，產(chǎn)生機械系統(tǒng)子模塊和電機仿真系統(tǒng)子模塊。

由于傳統(tǒng)的主從控制方式不能精確控制精度導(dǎo)致電機以及設(shè)備的損壞，因此，并行控制和交叉控制方式應(yīng)用而生。并行控制方式為通過控制兩個獨立的電機以減少電機間轉(zhuǎn)速偏差帶來的影響，但是這種控制方式也有缺陷，因為整個控制系統(tǒng)的開環(huán)性，在設(shè)備運行過程中，如若一臺電機受到干擾，電機之間的同步偏差會增加，性能也會變差；交叉耦合控制方式則是通過耦合的方式將不同電機的轉(zhuǎn)速通過信號輸入的方式通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器減小誤差，從而達到控制電機間精度的目的。

不同控制方式下采煤機牽引部雙電機間的精度有差異，因此研究不同控制方式對電機性能有重要意義。圖1給出了不同控制方式下電機牽引速度隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，在電機啟動2 s左右，采煤機達到穩(wěn)定狀態(tài)，主從控制的響應(yīng)速度在2 s后，而并行控制和交叉耦合控制的響應(yīng)速度都在2 s前，優(yōu)于主從控制方式，穩(wěn)定后牽引速度維持在8 m/min左右波動，這是銷輪銷軌嚙入嚙出所致。

圖中可以看到采煤機由電機啟動達到穩(wěn)定牽引需要經(jīng)過近2 s時間，并行控制和交叉耦合控制相比主從控制響應(yīng)速度更快，提前近0.2 s達到目標(biāo)值，且穩(wěn)定后牽引速度在8 m/min附近周期性波動，這也體現(xiàn)了銷輪銷軌嚙入嚙出的特點。

圖1 不同控制方式下牽引速度隨時間的變化曲線

從上述模擬結(jié)果可以看出，主從控制的響應(yīng)時間慢，容易導(dǎo)致電機的偏載現(xiàn)象，在長時間的采煤過程中，偏載現(xiàn)象會愈加嚴(yán)重，極易導(dǎo)致設(shè)備的損壞，并行控制方式和交叉耦合控制方式明顯優(yōu)于老式的主從控制效果，因此下文著重介紹并行控制方式和交叉耦合控制方式的差異。

圖2、圖3分別為牽引電機轉(zhuǎn)速誤差和偏載率隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，并行控制方式隨著時間的增加，牽引電機的轉(zhuǎn)速誤差變化差異大，最大正負(fù)值可達4 r/min，交叉耦合控制則相對穩(wěn)定；當(dāng)收到外界干擾時，并行控制方式下的設(shè)備偏載率呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，偏載率最大值可達10%，交叉控制方式下的設(shè)備偏載率維持在0.4%附近，波動范圍小，由此可知，并行控制方式不利于設(shè)備的穩(wěn)定運行，采用交叉耦合控制方式提高設(shè)備運行效率的同時，減少了銷輪銷軌受力，減小了不同電機間的偏載率。

圖2 牽引電機轉(zhuǎn)速誤差隨時間的變化曲線

圖3 偏載率隨時間的變化曲線

3 結(jié)論

1）以MG300/700采煤機為研究對象，通過仿真?zhèn)鹘y(tǒng)采煤機的工況響應(yīng)特征，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的主從控制控制效果極差，采煤機容易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，對設(shè)備損害嚴(yán)重。

2）通過對不同控制方式進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)并行控制方式和交叉耦合控制方式下的設(shè)備響應(yīng)速度快，設(shè)備偏載現(xiàn)象相對較輕，雙電機同步精度更高。

3）交叉耦合控制方式下，采煤機抗外界干擾能力更強，其牽引電機轉(zhuǎn)速誤差和偏載率更低，偏載率較并行控制方式下的偏載率最高降低9.6%，考慮采煤機實際運行過程中載荷的不均勻性和隨機性，采用交叉耦合控制方式更容易實現(xiàn)采煤機的高效運行，更適應(yīng)采煤機的雙牽引電機控制。