多驱带式输送机变频调速控制技术研究.pdf

第 卷 年第 期 月.多驱带式输送机变频调速控制技术研究高巧玲 魏丽君 秦灿华(.湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲)摘 要:多驱带式输送机由于滚筒直径误差、电机特性差异、负荷实时变化等客观因素的存在 导致各台电机在运行过程中易出现输出功率不一致 进而造成设备寿命降低 针对这一问题 提出一种基于高压变频器的异步电机变频调速控制方式 通过设定主从机协同模式 主机采用速度闭环控制方式 从机采用转矩闭环控制方式 从机实时跟随主机的输出功率 保证了两者输出功率一致 并通过现场的实际应用 证明该方法对于控制电机功率平衡的效果非常好关键词:皮带机 异步电机 功率平衡中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:基金项目:湖南省教育厅科学研究项目作者简介:高巧玲()女 讲师 研究方向为电机控制通讯作者:魏丽君()男 副教授 研究方向为电机设计与优化 引 言目前 我国矿山运输作业中大部分都是使用电机驱动式带式输送机 目前使用较多的驱动方式有液体黏性离合器()调速、液力耦合器调速、变频调速等方式根据运输皮带型号、运量、运输距离、运输负载、皮带坡度等因素 单条皮带机的驱动系统往往分为单驱(一台驱动电机)、双驱(两台驱动电机)、三驱(三台驱动电机)、四驱(四台驱动电机)甚至更多 而同一条皮带机的多个驱动电机通过皮带和驱动滚桶耦合在一起 工作时必须要保证每台电机的输出功率一致性 否则会出现有的电机处于过载状态 有的电机处理轻载状态 严重影响处于过载状态的电机及相关机械部件的使用寿命 因此 多驱系统中保证每台电机的输出功率的一致性 是皮带输送机安全可靠运行的关键因素文献介绍了一种 的模糊 控制方法 控制方法较复杂 文献和文献分别介绍了一种电流闭环控制方法和转速模糊控制方法 两 卷种方法都能实现电机功率平衡 但调节过程慢 精度不高 且由于液力耦合器本身的限制 无法实现重载起动 文献介绍了一种基于变频调速的主从控制方法 其针对不同电机的刚性连接和柔性连接采取不同的控制方法 由于变频调速技术具有启动转矩大、运行平稳、维护简单 能有效适应空载、重载、功率平衡等不同工况的优点 正逐渐替代其他的驱动方式 成为主流驱动方式 本文主要以异步电机与双电机传动带式输送机的情况进行研究提出一种功率平衡控制方法 既适应于刚性连接又适应于柔性连接 多驱带式输送机及功率平衡影响因素分析 多驱带式输送机系统介绍图 为双驱动滚桶皮带输送机传动系统 该皮带机有两个驱动滚桶 驱动电机通过减速机与驱动滚筒链接 并将电机驱动力矩传递到皮带拖动货物两个驱动最多可以配置四台驱动电机 如果配置两台驱动电机理论上可以在一个滚桶的两端或两个驱动滚桶各一台 考虑系统性能、部件寿命等因素实际往往是两个驱动滚桶各一台的配置方案图 双皮带输送机传动系统多电机传动带式输送机按照驱动电机之间的连接方式可以分为两种:刚性连接和柔性连接 刚性连接是指电机之间的连接基于刚性联轴器、减速器、链条等刚性连接传动装置 这种方式驱动电机之间的耦合程度高 柔性连接是指电机之间的连接并非基于链条等刚性连接传动装置 而仅仅依靠柔性的输送带连接 以三驱系统为例 如图 所示 驱动电机 与驱动电机 通过滚桶、联轴器等耦合 为钢性连接 驱动电机 与驱动电机 通过皮带耦合为柔性连接 一般情况 带式输送机分布式驱动是这两种连接方式的一种 当超过两个驱动电机时往往这两种耦合方式同时存在 驱动电机之间不同的耦合方式 电机间的耦合程度是不同 控制策略上稍有差异图 三驱系统连接方式 影响功率平衡因素的分析根据文献 可得到皮带机电机功率不平衡度表达式如下:()()()()()()其中 ()()()()/、为电动机、的功率不平衡度、为电动机、的转差率、为两电机处皮带速度 为两滚筒直径的不同度 /为两滚筒电动机功率的额定分配比从上述公式中可知 影响电机输出功率平衡度的主要因素有电机转差率和滚筒直径 由于电机制造工艺等因素 两台同型号电机其转差率也必然存在一定的差异 滚筒直径的差异则主要来源于 个方面:滚筒生产过程、滚筒运行磨损量(采用包胶滚筒磨损量差异较大)、滚筒附着物 这些最终都会影响到电机输出功率的平衡度 异步电机控制策略 异步电机转子磁场定向矢量控制异步电机在两相静止坐标系上的电压方程式为 ()期高巧玲等:多驱带式输送机变频调速控制技术研究式中、为两相静止坐标系上两相定子电压、为两相静止坐标系上两相转子电压、为两相静止坐标系上两相定子电流、为两相静止坐标系上两相转子电流 为转子角速度、为定子、转子电阻、为定、转子自感 为定、转子互感 为微分因子按转子磁场定向有 和 两相旋转坐标系上的转子磁链电流模型是通过检测定子三相电流和转速 计算转子磁链 三相定子电流经/变换得到定子电流的励磁分量 和转矩分量 异步电动机的矢量控制方程式:()()()通过方程()可以计算电动机转差 和定子频率()通过方程()可以计算电动机转子磁链 计算流程如图 所示图 轴坐标下转子磁链及定向角度 异步电机速度估计异步电机转速估计采用以不含转速信息的电压模型为参考模型 以含转速信息的电流模型为可调模型 构建转速自适应估计模型获取转速信息 转子磁链电压模型转子磁链电压模型:()()()式中、代表根据转子磁链电压模型计算的转子磁链值基于电压模型的定子磁链观测器 积分初值与直流偏移是对磁链结果影响最大的本文采用具有自适应补偿的改进型积分器 如图 所示 具有自适应补偿的改进型积分器采用了磁链矢量和反电势的正交性 这种正交性通过磁链和反电势的乘积来检测 其补偿信号的幅值通过一个 调节器来获得 调节器的输出 如式()所示()()这种积分器能自动调整磁链补偿值 到最优并通过坐标变换实现磁链幅值与相位的分离 调整磁链幅值的同时不影响相位的变化 从本质上消除了积分初始值与直流偏移的问题 能适应除极低速范围外的宽速度范围的磁链估计及转速估计图 自适应补偿的改进型积分器 转子磁链电流模型转子磁链电流模型如下:()式中、为根据转子磁链电流模型计算的转子磁链值 自适应转速估计由式()和()可知 电机磁链电压模型在两相静止坐标系下 不含有转速信息 而磁链电流模型在两相旋转坐标系下 含有定向角度信息 根据参考模型自适应速度估计的原理 可以采用磁链电压模型为参考模型 磁链电流模型为可调模型 构建速度自适应估计模型 其自适应律如式()所示 速度自适应估计模型如图 所示()()()图 速度自适应估计模型 卷 功率平衡控制策略传统的控制方法中 一般采用主从机协同控制但对于刚性连接与柔性连接的电机分别采用不同的控制方法:刚性连接的电机 主机采用速度外环转矩内环的双闭环控制 转速给定来自于中控系统 从机仅采用转矩闭环 转矩来自于主机给定 柔性连接的电机 主机与从机都采用速度闭环 速度给定来自于中控系统 当系统稳态运行时 这两种控制方法都可以满足运行要求 实现功率平衡分配本文在传统的主从机协同控制方式基础上进行了优化 主变频器驱动 电机 从变频器驱动 电机 均采用速度外环转矩内环的双闭环控制 其中从机同时接收主机的实时转矩与实时转速 并参与到系统控制中 由于从机同时采用了速度闭环和转矩闭环 因此既适用于刚性连接 又适用于柔性连接 具体控制策略如图 所示图中上半部分为主机控制系统 其接收中控系统的转速指令 通过矢量算法驱动电机 并计算出当前电机转速及转矩电流 下半部分为从机控制系统 从机将接收到的主机转速作为自身的转速给定使从机转速始终跟随主机 将接收到的转矩电流作为转矩控制环的给定 同时作为从机输出转矩的最大限幅值 间接的对从机转矩控制环进行限幅 当皮带机系统开始工作时 而从机实际转速低于主机时 其载荷将减小 主机载荷将增大 主机输出转矩将增大 从机接收到的转矩同样将增大 从机转速将上升 载荷将增大 主机载荷则相应减小 主机输出转矩将减小 在调节过程中 从机给定转速又被限制为最高与主机一致 进一步加快了主从机的调节过程 直至两者功率平衡 当从机实际转速高于主机时 其调节过程将同转速低于主机时相反图 系统控制框图 试验结果在某煤矿皮带机现场进行了试验 现场为柔性连接系统 试验两台电机参数一样:电机额定电压 额定电流 额定频率 额定转速/试验数据如图 所示 从图中可看出主机 电机转矩电流和从机 电机转矩电流和转矩波形基本能够保持一致 其中从机转矩电流毛刺更细是由于监视波形数据中从机转矩电流滤波参数不一致 从转速波形中可以看出电机从起动到加速过程中 主机从机转矩电流基本一致 功率平衡度好图 试验数据图 结 语本文介绍了一种多驱带式输送机的功率平衡控制方法 在传统的功率平衡控制方法的基础上进行了进一步提升 对于不论是刚性连接还是柔性连接的电机 该方法都能很好的进行控制 确保两台电机输出功率保持平衡 最后通过试验验证了方法的可行性 对实际应用提供了参考参考文献 赵瑞祥.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用探讨.矿业装备():.石元铎.煤矿用带式输送机变频调速控制技术改造及其效果.机械管理开发 ():.宋涛.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用.机械管理开发 ():.苟学亮.变频调速节能控制技术在带式输送机上的应用.西安:西安科技大学.郑汝 吴伟伟.皮带机变频调速控制技术的应用.电世界():.郭春林.带式输送机多机驱动功率平衡调整原理的研究.煤矿机械 ():.薛彦波.多机驱动带式输送机功率平衡控制方法.工矿自动化 ():.徐鲁辉.多机驱动带式输送机功率平衡的研究与分析.工矿自动化 ():.杨光辉.多机驱动带式输送机功率平衡模糊控制方法.工矿自动化 ():.张磊.多电机驱动带式输送机主从控制策略研究中国科技纵横():.宋伟刚.通用带式输送机设计.北京:机械工业出版社:.