王　飛

（山西焦煤集團(tuán)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(jī)牽引電機(jī)均為交流調(diào)速電機(jī)[1]，與直流調(diào)速電機(jī)相比，該類型的電機(jī)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(duì)采煤機(jī)功率的要求也更高，如果采煤機(jī)牽引電機(jī)僅設(shè)置為1個(gè)，則電機(jī)的工作穩(wěn)定性會(huì)下降[2]，且電機(jī)較大，不利于采煤機(jī)割煤，故此時(shí)往往通過雙電機(jī)牽引采煤機(jī)。雙電機(jī)參數(shù)的不同往往造成兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行不同步以及功率不一致[3-4]。對(duì)采煤機(jī)牽引部雙電機(jī)不同協(xié)調(diào)控制方式下的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)分析可使采煤機(jī)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(jī)整體模型的建立來研究其受力特征，但在采煤機(jī)牽引電機(jī)模型的分析上研究甚少，本文主要對(duì)采煤機(jī)雙電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而為雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制提供一定依據(jù)。

1　交流調(diào)速電機(jī)的模型建立

為了對(duì)雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行仿真分析，先進(jìn)行單個(gè)交流調(diào)速電機(jī)的模型建立，所建模型需要為定量分析電機(jī)的能量轉(zhuǎn)變提供基礎(chǔ)，由此建立模型時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子在三維方向上均是對(duì)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(duì)稱的；

4）三相定子繞組和三相轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)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(duì)交流電機(jī)的影響，而忽略其他作用。

三相繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)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(duì)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(jī)的矢量控制系統(tǒng)

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

2.1　變化坐標(biāo)

交流調(diào)速電機(jī)的原始坐標(biāo)極為復(fù)雜，通過進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)變坐標(biāo)可以得到合理的交流調(diào)速電機(jī)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(jī)矢量控制

采煤機(jī)交流的雙調(diào)速電機(jī)均通過變換矢量進(jìn)行控制，這樣電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通均可進(jìn)行單獨(dú)控制，使其容易達(dá)到直流電機(jī)的調(diào)速效能。交流電機(jī)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)閮上嘟涣骺刂屏浚ㄟ^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(jī)的工作，完成電機(jī)的變換矢量。

在雙電機(jī)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(shí)間延長過程中電機(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際速率可以較好地跟蹤給定速率，同時(shí)電機(jī)調(diào)速效果良好。

3　雙電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析

并行控制可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)多個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，該控制方式主要是對(duì)多個(gè)電機(jī)同時(shí)施加信號(hào)，使電機(jī)不會(huì)發(fā)生時(shí)間滯后效應(yīng)，同時(shí)使之進(jìn)行同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)?；诖耍⒉⑿锌刂频碾p電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，所建模型中雙電機(jī)均受到50m的外載荷作用，電機(jī)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(shí)間設(shè)置為10 s。本次模擬主要對(duì)雙電機(jī)在受到干擾的影響下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性特征進(jìn)行研究，如圖3和圖4所示。

圖3　電機(jī)1在受到干擾的影響下雙電機(jī)轉(zhuǎn)速變化示意圖

圖4　電機(jī)2在受到干擾的影響下雙電機(jī)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(jī)其自身的轉(zhuǎn)速也會(huì)受到較大程度的影響，而另一個(gè)電機(jī)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(jī)無法保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。究其原因，并行控制方式也是開環(huán)控制方式，兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行獨(dú)立、互不干擾，故其中一個(gè)電機(jī)受到擾動(dòng)時(shí)另一個(gè)電機(jī)不受其影響，且在受到干擾情況下兩個(gè)電機(jī)無法保持同步運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)可以保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，電機(jī)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(shí)間設(shè)置為10 s。本次模擬同樣主要對(duì)雙電機(jī)在受到干擾的影響下系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性特征進(jìn)行研究，如下頁圖6、圖7所示。

圖6　電機(jī)1在受到干擾的影響下雙電機(jī)轉(zhuǎn)速變化示意圖

圖7　電機(jī)2在受到干擾的影響下雙電機(jī)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(jī)其自身的轉(zhuǎn)速幾乎不會(huì)受到影響，雙電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速差值的有效性和及時(shí)性，雙電機(jī)在干擾影響下也會(huì)保持同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了進(jìn)一步證明耦合控制方式的高效性，對(duì)不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差特征進(jìn)行了研究，如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著時(shí)間的延長，不同協(xié)調(diào)控制方式下雙電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速受控于主電機(jī)，故該控制方式下雙電機(jī)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的高效性。

4　結(jié)論

1）雙電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際速率可以較好地跟蹤對(duì)給定速率，同時(shí)電機(jī)調(diào)速效果良好。

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

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

3）耦合控制下受到干擾的電機(jī)其自身的轉(zhuǎn)速幾乎不受影響，雙電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速差值的有效性和及時(shí)性。

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

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

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