王成龍

(山煤集團(tuán) 煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

皮帶輸送機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的遠(yuǎn)距離大功率運(yùn)輸設(shè)備，其傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式是采用異步電機(jī)通過變速箱和液力耦合器帶動(dòng)滾筒，進(jìn)而帶動(dòng)膠帶運(yùn)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式存在體積大、耗能高的缺點(diǎn)，不適用于巷道狹窄、井下空間有限的應(yīng)用場合。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，用永磁同步電機(jī)和變頻器的直驅(qū)系統(tǒng)取代異步電機(jī)和變速箱、液力耦合器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸成為更優(yōu)選擇，永磁電機(jī)直驅(qū)技術(shù)具有安裝體積小、成本低、電能消耗少等優(yōu)點(diǎn)，對永磁同步直驅(qū)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

1 永磁同步電機(jī)應(yīng)用分析

一套典型的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括異步電機(jī)、液力耦合器、減速器、高速聯(lián)軸器、低速聯(lián)軸器和相關(guān)配電裝置。異步電機(jī)啟動(dòng)過程不平穩(wěn)且在工頻電壓下運(yùn)行時(shí)的功率一般小于額定功率，此外液力耦合器和減速器都會(huì)產(chǎn)生能量的損失。而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上潛入了稀土材料制成的永磁體，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下通過電樞反應(yīng)感應(yīng)三相對稱電流，因此無需額外的勵(lì)磁電流，與異步電機(jī)隨著負(fù)載增加滿載效率下降相比，永磁同步電機(jī)的效率隨著負(fù)載的增加而提升，一般可達(dá)到94%以上。圖1為異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)效率對比。

圖1 異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)效率對比圖

永磁同步電機(jī)在應(yīng)用上具有以下特點(diǎn)：①設(shè)備安裝時(shí)采用氣隙進(jìn)行扭矩傳動(dòng)，無需較高的安裝精度，減少了振動(dòng)；②空載時(shí)皮帶輸送機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊小，具有過載保護(hù)功能，避免燒壞電機(jī)；③采用主從控制電機(jī)電流，方便實(shí)現(xiàn)多電機(jī)功率平衡；④驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡單，設(shè)備調(diào)試和維護(hù)成本低。

2 雙電機(jī)剛性連接功率平衡技術(shù)

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無需液力耦合器和減速器，永磁同步電機(jī)的軸與滾筒直接相連，輸送機(jī)依靠膠帶和滾筒的摩擦力運(yùn)輸貨物，故稱之為直驅(qū)系統(tǒng)。本文研究的系統(tǒng)為雙滾筒三電機(jī)皮帶輸送機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，膠帶上配置有滾筒A和滾筒B，滾筒A由永磁同步電機(jī)PMSM1和PMSM2共同驅(qū)動(dòng)，因此PMSM1和PMSM2是剛性連接；滾筒B由永磁同步電機(jī)PMSM3單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，滾筒B與滾筒A之間通過皮帶柔性連接。

圖2 雙滾筒三電機(jī)皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)圖

由于PMSM1和PMSM2的軸是剛性連接，如果沒有相關(guān)功率平衡控制，必然會(huì)造成二者轉(zhuǎn)矩不等，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致過載電機(jī)負(fù)荷過大而引發(fā)故障，滾筒A的機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)變形。傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩精度和響應(yīng)速度，采用模型預(yù)測控制器，忽略剛性連接軸的角度偏差，采用主從控制策略，將PMSM2設(shè)置為主機(jī)，PMSM1設(shè)置為從機(jī)，從機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流根據(jù)主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩方程確定，PMSM1和PMSM2的轉(zhuǎn)矩方程為：

(1)

其中：J1和J2分別為PMSM1和PMSM2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且滿足J1=J2；ωm為機(jī)械角速度；μ1、μ2分別為PMSM1和PMSM2的摩擦因數(shù)；Te1和Te2分別為PMSM1和PMSM2的電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖3 雙電機(jī)剛性連接功率平衡控制策略

3 多機(jī)柔性連接功率平衡技術(shù)

圖4 多機(jī)柔性連接功率平衡控制策略

本文采用典型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了皮帶機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流通過可編程控制器和變頻器控制，轉(zhuǎn)矩電流的偏差通過PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償，MPC控制器計(jì)算得到最優(yōu)電壓矢量和PWM脈沖信號(hào)。此外還配合了環(huán)形耦合策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)。在雙滾筒三電機(jī)的系統(tǒng)中，必須同時(shí)考慮剛性連接和柔性連接電機(jī)的功率平衡，由于某些原因?qū)е缕渲幸慌_(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，需通過增大其轉(zhuǎn)矩提高其功率，在實(shí)際應(yīng)用中，皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度與給定速度之間的誤差應(yīng)不大于3%，這樣才能保證三電機(jī)之間功率平衡，帶式輸送機(jī)可靠運(yùn)行。

4 無位置傳感器永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

對于永磁同步電機(jī)矢量控制，一般的方法是采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置作為控制器輸入信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量方便，但是轉(zhuǎn)子的位置需要通過位置傳感器采集，位置傳感器存在價(jià)格高且安裝不便的困難，因此研究無位置傳感器的永磁同步電機(jī)控制技術(shù)具有重要意義，可以節(jié)省成本，提高可靠性。

無位置傳感器控制技術(shù)是當(dāng)前電機(jī)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的速度劃分，分為中高速無位置傳感器控制技術(shù)和零低速無位置傳感器控制技術(shù)。中高速無位置傳感器控制技術(shù)又分為反電動(dòng)勢直接計(jì)算法、反電動(dòng)勢積分法等開環(huán)估算和狀態(tài)觀測器、擴(kuò)展卡爾曼濾波等閉環(huán)估算。零低速無位置傳感器控制技術(shù)有高低頻信號(hào)注入法和載波信號(hào)成分法。

電子皮帶運(yùn)輸機(jī)的額定轉(zhuǎn)速較高，因此本文設(shè)計(jì)的滑模觀測器屬于中高速領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢在兩相靜止坐標(biāo)系下的模型如式(2)所示：

(2)

其中：eα、eβ為靜止坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；ω為轉(zhuǎn)子角速度；θ為電角度。

根據(jù)式(2)設(shè)計(jì)出的滑模觀測器原理框圖如圖5所示。圖5中，atan為反正切函數(shù)，Us、is、es分別表示電機(jī)電壓、定子電流、定子電動(dòng)勢(由于采用了預(yù)測控制，估計(jì)值使用“^”表示)?；Ｓ^測器的穩(wěn)定性根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行判定，由于反電動(dòng)勢中包含了不連續(xù)的符號(hào)函數(shù)，因此具有高頻擾動(dòng)，采用低通濾波器對反電動(dòng)勢進(jìn)行低通濾波處理，得到的反電動(dòng)勢更加穩(wěn)定。

圖5 滑模觀測器原理框圖

5 結(jié)語

對于異步電機(jī)拖動(dòng)的皮帶輸送機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，研究了一種雙滾筒三電機(jī)模式的永磁電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，并對其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。對于兩軸剛性連接和通過膠帶柔性連接的永磁同步電機(jī)，分別研究了不同的功率平衡控制策略；針對位置傳感器安裝不便、成本較高的問題，研究了滑模控制器估算轉(zhuǎn)子位置的控制方法。永磁同步電機(jī)直驅(qū)技術(shù)能夠提高皮帶運(yùn)輸機(jī)的效率、降低電費(fèi)，是未來皮帶輸送機(jī)的技術(shù)改進(jìn)方向。