劉衛(wèi)峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

傳統(tǒng)采煤機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行控制存在啟動轉(zhuǎn)矩小、機(jī)械特性軟等問題。為解決傳統(tǒng)采煤機(jī)變頻調(diào)速的問題，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用而生，其具有大啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。隨著采煤工作的需求，當(dāng)設(shè)備需要較大驅(qū)動功率時需采用專門指導(dǎo)的大功率電機(jī)，大大增加了設(shè)備的成本[1]。為此，為采煤機(jī)配置兩臺或兩臺以上電動機(jī)，由于其對應(yīng)控制系統(tǒng)性能較差，導(dǎo)致多臺驅(qū)動采煤機(jī)存在電機(jī)參數(shù)不一致的問題，常引發(fā)電機(jī)過載燒毀問題的發(fā)生。為解決上述問題，為開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步牽引控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)速度和電機(jī)功率的均衡控制。

1 開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)概述

開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)（SRD）為以開關(guān)磁阻電動機(jī)為核心的調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，開關(guān)磁阻調(diào)速系統(tǒng)包括有功率變換器、控制單元和檢測單元。其中，開關(guān)磁阻電機(jī)為該調(diào)速系統(tǒng)的核心，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)電能量的轉(zhuǎn)換；功率變換器主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，其影響整個調(diào)速系統(tǒng)的性能；控制器為調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，其根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的速度反饋和設(shè)定速度對功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)器件的開通和關(guān)斷進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)磁阻電機(jī)的控制；檢測單元主要是對設(shè)備位置和電流等信號的檢測，為控制器的策略提供依據(jù)[2]。

結(jié)合采煤機(jī)的現(xiàn)場控制需求，其對應(yīng)的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，其中電流為內(nèi)環(huán)控制，速度為外環(huán)控制，對應(yīng)的控制策略框圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制策略框圖

圖2中的控制模式選擇為調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)采煤機(jī)的電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速信號采用CCC控制模式和APC控制模式。

2 同步牽引控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 交叉耦合同步控制策略的確定

為解決雙開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動采煤機(jī)時存在反饋偏差和電機(jī)參數(shù)不一致的問題，對于雙電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而言，常固定1號開采磁阻電機(jī)的功率值不變，對2號磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，保證2號電機(jī)與1號電機(jī)的功率一致。為進(jìn)一步減小雙開關(guān)磁阻電機(jī)輸出功率的差值，需對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)對雙電機(jī)的牽引控制。

對于同步牽引控制系統(tǒng)而言，可通過主令參考同步控制、主從同步控制以及交叉耦合同步控制。其中，主令參考同步控制系統(tǒng)，當(dāng)其中一臺電機(jī)被擾動時系統(tǒng)的同步性較差；對于主從同步控制系統(tǒng)而言，當(dāng)從動電機(jī)受到負(fù)載擾動時主電機(jī)得不到反饋，兩電機(jī)的同步性受到影響；交叉耦合同步控制具有好的同步性，其對兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行比對，并將對比結(jié)果作對其中一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制[3]?；诮徊骜詈贤娇刂撇呗阅軌颢@得更佳的同步控制精度。因此，本文將采用交叉耦合同步控制策略對采煤機(jī)的雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，以確保兩電機(jī)輸出功率的平衡。

2.2 雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)功率平衡方案的設(shè)計(jì)

當(dāng)前雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要控制原理為將從電機(jī)的輸出功率與主電機(jī)一致，主電機(jī)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備工況對其速度、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及其他參數(shù)進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)的主要弊病在于：由于主電機(jī)和從電機(jī)是通過剛性連接完成的，其控制精度與給定速度相關(guān)。實(shí)踐應(yīng)用表明，基于傳統(tǒng)雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)⒅麟姍C(jī)和從電機(jī)的功率或轉(zhuǎn)矩輸出差控制在10%以內(nèi)，解決了牽引電機(jī)被燒毀的問題。但是，基于主從控制方式，從電機(jī)的輸出功率完全根據(jù)主電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)主電機(jī)運(yùn)行功率低于或者高于其額定功率時，導(dǎo)致牽引系統(tǒng)的整個功率過低或者功率過高，影響整機(jī)的運(yùn)行效率[4]。

為解決上述問題，本文將交叉耦合同步控制策略應(yīng)用于傳統(tǒng)雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，最終使得主從電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩偏差更小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快?；诮徊骜詈贤娇刂撇呗缘耐綘恳刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 基于交叉耦合同步控制策略的同步牽引控制系統(tǒng)原理圖

如圖3所示，基于交叉耦合同步控制策略，當(dāng)兩臺開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一致時，同時對兩臺電機(jī)進(jìn)行調(diào)整控制，即對大功率電機(jī)施加負(fù)電流補(bǔ)償信號，對小功率電機(jī)施加正電流補(bǔ)償信號，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 同步牽引控制效果的仿真分析

為驗(yàn)證基于交叉耦合同步控制策略下的同步牽引控制系統(tǒng)的控制性能，本節(jié)基于MATLAB軟件分別對比傳統(tǒng)主從控制策略和交叉耦合同步控制策略下同步牽引系統(tǒng)的控制效果。所選擇開關(guān)磁阻電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

3.1 主從控制策略同步牽引系統(tǒng)的控制效果

仿真背景：兩電機(jī)分別以額定轉(zhuǎn)速和額定功率運(yùn)行且電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩額定為141 N·m，并在5 s時分別對兩臺電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩為15 N·m的負(fù)載，對同步牽引系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)

圖4 主從控制策略下同步牽引控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性

如圖4-1所示，當(dāng)電機(jī)受到15 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降且最大降幅為3.5%；而且，在受到擾動1.5 s后電機(jī)又以額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行；如圖4-2所示，1號開關(guān)磁阻電機(jī)在階躍負(fù)載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩明顯下降，且最大降幅為15 N·m，下降時間為2 s；1號電機(jī)在擾動2 s后輸出轉(zhuǎn)矩開始上升，且上升幅度為5.64 N·m；2號開關(guān)磁阻電機(jī)在階躍負(fù)載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩開始下降，降幅為9.87 N·m，下降時間為4.3 s?？偟膩碚f，系統(tǒng)受到負(fù)載擾動后，在主從控制策略下兩電機(jī)的達(dá)到平衡所需時間為4.3 s，且最終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩為131.13 N·m。

3.2 交叉耦合同步控制策略同步牽引系統(tǒng)的控制效果

仿真背景：兩電機(jī)分別以額定轉(zhuǎn)速和額定功率運(yùn)行且電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩額定為141 N·m，并在5 s時分別對兩臺電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩為15 N·m的負(fù)載，對同步牽引系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示：

圖5 交叉耦合同步牽引控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性

如圖5-1所示，當(dāng)電機(jī)受到15 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降且最大降幅為0.5%；而且，在受到擾動1 s后電機(jī)又以額定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行；如圖5-2所示，1號開關(guān)磁阻電機(jī)在階躍負(fù)載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩明顯下降，且最大降幅為7.05 N·m，下降時間為0.8 s；1號電機(jī)在擾動0.8 s后輸出轉(zhuǎn)矩開始上升；2號開關(guān)磁阻電機(jī)在階躍負(fù)載的影響下輸出轉(zhuǎn)矩開始緩慢下降，降幅為4.23 N·m，下降時間為2 s?？偟膩碚f，系統(tǒng)受到負(fù)載擾動后，在交叉耦合同步控制策略下兩電機(jī)的達(dá)到平衡所需時間為2 s，且最終穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩為136.77 N·m。

4 結(jié)語

雙電機(jī)采煤機(jī)可滿足實(shí)際生產(chǎn)中大功率、大轉(zhuǎn)矩的要求，但是由于雙電機(jī)輸出功率不一致常導(dǎo)致電機(jī)燒毀的問題。當(dāng)前，基于主從控制的同步牽引控制系統(tǒng)雖然能夠解決電機(jī)燒毀問題，但是其控制精度較差，電機(jī)的轉(zhuǎn)速差或功率差值仍然很大[5]。為此，本文基于交叉耦合同步控制策略對雙開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，并經(jīng)仿真表明，該控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、輸出轉(zhuǎn)矩偏差小的特點(diǎn)。