崔艷芳

(西山煤電股份公司 屯蘭煤礦，山西 太原 030200)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，采掘機械設(shè)備向著現(xiàn)代化、智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。采煤機是采掘機械的重要設(shè)備，而截割部是采煤機的重要組成部分。隨著大功率采煤機的不斷應(yīng)用，對截割部的電機也提出了更高的要求[1]。

目前截割電機在外觀體積、制造成本、在線可靠性等方面還存在著一定的技術(shù)難題，大多使用的是由兩臺變頻器來分別控制兩臺截割電機“一拖一”的控制方式，即采取主、從變頻器的控制方式[2]。

對于雙電機的耦合協(xié)調(diào)控制，國內(nèi)外的學(xué)者進行了許多研究并取得了一定的成果。Koren等[3]提出了交叉耦合控制思想；Tomizuka等[4]將自適應(yīng)前饋控制引入到同步控制中以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力；陳慶偉等[5]提出了一種“差速負反饋”同步聯(lián)動控制方案；李力等[6]針對雙電機轉(zhuǎn)速同步的問題，提出了偏差耦合同步控制策略。但是很多協(xié)調(diào)控制策略還存在控制調(diào)整精度不夠，電機參數(shù)一致性存在一定的偏差，信號反饋延時甚至偏差等問題，極大影響電機和傳動系統(tǒng)的壽命和可靠性，因此有必要改進現(xiàn)有截割雙電機的協(xié)調(diào)控制策略，提高系統(tǒng)控制精度，提升采煤機工作的安全可靠性[7]。

1 采煤機截割部電機數(shù)學(xué)模型

采煤機在截割煤巖的過程中需要消耗整機的大部分功率，因此通常對電機設(shè)置過載保護，電機過載保護曲線如圖1所示。

采煤機截割功率和煤巖性質(zhì)、運動參數(shù)、滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素有關(guān)。截割功率隨著牽引速度的增大而增大。目前采煤機工作時截割部采用恒功率自動調(diào)節(jié)，以截割部滿載或速度達到司機設(shè)定的最大允許值為設(shè)定目標(biāo)。當(dāng)截割功率大于額定功率時，系統(tǒng)自動降低牽引速度，當(dāng)截割功率小于額定值時，則系統(tǒng)自動提高牽引速度，確保采煤機能夠在穩(wěn)定的工作效率下運行。

圖1 電機過載保護特性曲線

為了研究截割部電機的動態(tài)響應(yīng)，建立了三相交流異步電機的數(shù)學(xué)模型。三相繞組在空間對稱分布，沿逆時針方向各繞組軸線互差120°電角度，轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，三相交流電機定、轉(zhuǎn)子繞組的空間分布縱向剖面如圖2所示。

圖2中：sA和sA'、sB和sB'、sC和sC'分別表示A、B、C三相定子繞組；ra和ra'、rb和rb'、rc和rc'分別表示a、b、c三相轉(zhuǎn)子繞組；定子A相繞組軸線正方向為空間位置參考方向即sD軸，轉(zhuǎn)子繞組a相軸線即rα軸超前sD軸θr電角度。

式中：Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；usY、urY、isY、irY、ψsY、ψrY(Y=A、B、C、a、b、c)分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電壓、電流和磁鏈。

電流和磁鏈方程：

(3)

式中：Lss、Lrr、Lsr=LrsT均為3×3的電感子矩陣，分別表示定子繞組電感矩陣、轉(zhuǎn)子繞組電感矩陣和定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感矩陣。

(4)

式中：Ωr為電子旋轉(zhuǎn)角速度；Tj為發(fā)電機組轉(zhuǎn)動慣量；Tm為機械力矩；Te為電磁力矩。

2 采煤機雙電機主從控制系統(tǒng)分析

截割雙電機性能的好壞直接影響著采煤機的工作效率及可靠性。針對采煤機截割部雙電機常用的主從控制方式，以MG300/700電牽引采煤機為研究對象分別進行Simulink仿真分析。主從控制框圖如圖3所示。

圖3 主從控制框

采用主從控制，主電機的輸出轉(zhuǎn)速作為從電機的轉(zhuǎn)速參考值，由此可知任何加在主電機上的速度或負載擾動都會直接影響到從電機，但任何從電機上受到的擾動不能反饋到主電機，當(dāng)負載發(fā)生變化時，電機之間的同步精度將會受到很大影響，并且從電機有一定滯后。

通過給主電機和從電機施加隨機負載來分析主從控制下兩電機的同步性能，見圖4，仿真中電機轉(zhuǎn)速恒給定為90 r/s。由圖4可以看出，當(dāng)兩電機為主從控制方式時，電機1為主電機，電機2為從電機，從電機會因為主電機受到的擾動而被擾動，而當(dāng)從電機受擾時，主電機不會受到影響。也就是說一旦從電機受到擾動，那么兩電機將會失去同步狀態(tài)，極大影響電機的工作效率。

圖4 基于主從控制的單個電機受擾時兩

圖5 兩電機電流有效值仿真曲線

兩電機電流有效值仿真曲線如圖5所示，由圖5可知，兩電機在啟動過程中由于從電機滯后的原因?qū)е缕d運行，單個電機電流過大、長期過載運行，電機將發(fā)熱，易損壞電機[9]。由此可知傳統(tǒng)采煤機主從控制在變速過程中，兩電機會因為信號延遲或者從電機的負載波動而導(dǎo)致失去同步。

基于上述原因，本文提出一種基于雙軸耦合的控制方式，將雙電機的轉(zhuǎn)速差作為補償進行調(diào)節(jié)，從而提高雙電機的轉(zhuǎn)速同步性。

3 基于雙軸耦合的采煤機截割電機控制研究

將兩電機的實際轉(zhuǎn)速差通過耦合控制器作為附加信號輸入到兩電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，使得兩電機實際轉(zhuǎn)速差能盡可能的消除，從而獲得良好的同步控制精度。雙軸交叉耦合控制框圖如圖6所示。

依據(jù)圖6采用Matlab/Simulink建立仿真模型，在同樣的仿真條件下仿真變速工況，在5 s時給定電機信號由60 r/s上升到90 r/s。圖7分別為電機1、2受干擾時交叉耦合控制兩電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，從圖中可以明顯看出交叉耦合控制下的兩電機轉(zhuǎn)速同步精度很高。這是由于交叉耦合控制中增加的速度耦合控制器，兩電機的速度信號是同時給定，兩個電機互為主從，無論哪個電機受到擾動始終都能保證同步。

圖6 交叉耦合控制框

圖7 基于雙軸耦合控制的單個電機受擾時兩電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

對比這兩種控制方式下的電機轉(zhuǎn)速誤差區(qū)別，如圖8所示。從仿真結(jié)果可以看出，交叉耦合控制下的兩電機的同步精度在正常調(diào)速工況下明顯要好于主從控制，而且波動幅值更小[10]，因此交叉耦合控制在變速工況下的高同步性能有利于提高兩變頻器的利用效率。

圖8 轉(zhuǎn)速偏差仿真曲線

4 結(jié) 語

本文提出一種高效的雙軸耦合的雙電機控制方式，并以MG300/700電牽引采煤機為例對截割電機控制方式進行Simulink仿真，通過仿真分析研究可得到如下結(jié)論：

1) 傳統(tǒng)的主從控制偏載現(xiàn)象較為明顯，極大影響電機的工作效率，會造成電機及傳動裝置的損壞。

2) 提出的雙軸交叉耦合的控制方式，速度同步精度高，極大改善偏載現(xiàn)象，提高變頻器的利用率。

3) 雙軸交叉耦合控制便于控制，易于實現(xiàn)，該控制方法具有很強的現(xiàn)實意義，可為企業(yè)節(jié)約成本，提高工作效率，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。