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第 10 期 山 西 焦 煤 科 技 No.102023 年 10 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyOct.2023试验研究收稿日期:2023-07-27基金项目:山西大同大学 2022 年研究生教育创新项目(22CX51)作者简介:吴康(1998),男,山西运城人,2021 级大同大学在读硕士研究生,主要从事矿山机电方面的研究(E-mail)15110430130 矿用带式输送机用永磁同步电机控制器研究吴康,杨京东,李大伟(山西大同大学 煤炭工程学院,山西大同037003)摘要 为了提高煤炭生产效率,使用永磁同步电机代替传统的异步电机,为了解决机械式传感器的缺陷,引进了新型的无速度传感器。分析了 PMSM 的数学模型,并基于脉振高频注入法的基本原理,设计了合理的转子位置信息提取方法,优化了提取信号的过程,减少了因电压电流信号较小而产生的较大误差。在 MATLAB 中搭建了永磁同步电机的仿真模型,分析了在两种工况下永磁同步电机的动态性能。实验表明,脉振高频注入法满足带式电机无速度传感器控制技术的高性能控制要求。关键词带式输送机;永磁同步电机;脉振高频注入法中图分类号:TD634.1文献标识码:A文章编号:1672-0652(2023)10-0013-04近年来,我国能源呈现多元化的发展趋势,但煤炭仍占据主要地位,2022 年全年能源消费总量中,煤炭消费量占 56.2%,煤炭的生产效率不得不大幅度提高1.矿用带式输送机因其远距离、持续性的优良特点,被广泛应用于采矿、冶金等大规模散装物料的采集运输中。作为原煤运输系统的生命线,其设备工作的稳定性和高效性尤其重要,在运行过程中一旦发生故障,不仅造成经济损失,甚至导致人员伤亡等事故。为此,有一套高效率、低能耗、持续性的驱动装置对于矿用带式输送机的稳定运行至关重要2.传统的异步电机依赖电网提供无功电流来建立旋转磁场,导致设备运行中系统的损耗相对较高,工作效率因数低3.同时,后期设备机械装置维护困难且维修费用高。相较于传统的驱动装置,永磁同步电机采用内置永磁体励磁,不仅机身体积小、能量密度大,而且能在高负载率的情况下,不断提供较高的传动效率,同时功率因数也得到了极大地改善4.起初,在永磁同步电机驱动系统中依靠机械式传感器对其转速、转子位置进行观测。但在煤矿井下恶劣的运行环境中,运用机械式传感器不能灵敏地进行观测,缩短了电机的使用寿命。为了尽可能地解决机械式位置传感器的缺点,理论推导发现在电机运行过程中,通过分析电压和电流参数便可推断出转子的位置和转速信息5.针对机械式传感器的弊端,基于脉振高频注入法,分析了信号激励下的 PMSM 数学模型,并设计了合理的转子位置信息提取方法,最后对传统的 Luen-berger 状态观测器增加积分项以提高系统稳定性,最后在 MATLAB 仿真软件中进行了验证。1永磁同步电机的数学模型三相 PMSM 是一个复杂的非线性系统,为了简化电机数学模型的建立过程,作出以下假设:电机铁芯的磁饱和不被考虑;不考虑电机的涡流损耗;不考虑电机的磁损耗并且没有阻尼绕组。在 Ld=Lq的情况下开展研究。同步旋转坐标系下,矿用永磁同步电机的数学模型:定子电压方程:ud=Rid+ddtd-equq=Riq+ddtq+ed(1)定子磁链方程:d=Ldid+fq=Lqiq(2)电磁转矩方程:Te=32pninid(Ld-Lq)+f(3)运动方程:Te=TL+Bm+JddtmT(4)式中:ud、uq、id、iq为 d-q 轴电压和电流分量;R、Ld、Lq、f为定子绕组电阻、d-q 轴电感和永磁体磁链;d、q为 d-q 轴电磁分量;Te为电磁转矩;TL为负载转矩;e、m为定子角速度和机械角速度。2脉振高频注入法目前,对于 PMSM 的全速域无速度传感器,尚无一种统一的方法实现全速范围的控制,多是划分为低速和中高速两种工况。目前,对中高速工况的研究较为成熟,通常采用滑膜观测器、MRAS(模型参考自适应)等,电机的运行信息可以从基波信号中获取。但在低速工况下,以上方法可利用的电压和电流信号较小,计算量较大且易发生误差,不容易获得转子位置和转速信息。针对此类问题,利用脉振高频信号注入法对带式输送机 PMSM 进行转子信息的提取,达到速度高性能控制的目的。脉振高频注入法在电机零低速时具有较强的鲁棒性,注入的信号可以是旋转的,也可以是脉振的,但其原理均是把某一高频电流或电压信号,施加到基波模型的信号中,最后一同输入到电机的三相绕组里。本文主要利用脉振高频注入法对带式永磁同步电机实现高性能的控制。2.1PMSM 在高频信号下的数学模型由于注入的电压频率非常高,在高频激励的情况下,可将高频注入下的 PMSM 视为 R-L 负载。udh=(Rdh+Ldhp)idhuqh=(Rqh+Lqhp)iqh(5)定义转子估计误差角:=-(6)则在转子同步旋转坐标系中,高频电流和电压之间关系为:d idhdtd iqhdt=cos-sinsincos1Ld001Lqcossin-sincos u dh u qh(7)式中:u dh和 u qh以及 idh和 iqh分别为同步旋转坐标系下高频电压和高频电流的分量。将(7)式用平均电感和电感差值的一半表示,则可写为:d idhdt=1L2-L2(L+Lcos2)u dh+Lsin(2)u qhd iqhdt=1L2-L2(Lsin2)u dh+(L-Lcos(2)u qh(8)式中:L 是平均电感,即 L=Ld+Lq2;L 是半差电感,即 L=Lq-Ld2.当高频余弦信号 Umhcos(ht)从输入端注入到 d轴中时,便得到了同步旋转坐标系下的高频电压和电流方程:u dh u qh=Umhcos(ht)0 (9)由于电压方程组的电阻远小于电抗,因此在计算过程中可以将定子电阻忽略不计,最后联立上式可得到在旋转坐标系下的高频电流:idhiqh=Umhsin(ht)h(L2-L2)L+Lcos(2)Lsin(2)(10)通过上式可以看出,如果 d 轴和 q 轴电感不同时,高频电流分量都与转子估计误差角 有关;假设 为零时,q 轴的电流分流为零。所以脉振高频41山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期注入法通常是从 PMSM 输出端的 q 轴提取转子的位置和转速信息。因此需要算得 q 轴的电流响应分量:iqh=Umhsin(ht)h(L2-L2)Lsin(2)(11)2.2转子位置估计转子信息提取的实现过程见图 1,通常是通过带通滤波器(BPF),提取所需要的固定频段内的电流信号;利用乘法器对此电流信号解调制,即通过数学运算处理输出的信号;通过低频滤波器(LPF)提取位置估算器所需的输入信号;经过位置估算器输出位置和速度信息。即:fv()=LPF BPF iq sin(ht)()=UmhL2h(L2-L2)sin(2)=Kvsin2(12)式中:fv()为直流输出量;Kv=UmhL2h(L2-L2).图 1脉振高频电压注入法转子信息提取的实现过程图2.3改进的龙贝格状态观测器设计对于传统的 Luenberger 状态观测器,因其使用方便,选用常数作为反馈系数,使得转速改变时,观测器极易受到电机转速的影响,系统的性能显著降低。在不断的实验过程中,发现当在观测器系统中加入一个积分项时,转速输出的波形会更加平稳,震荡也比较少,系统性能有明显提高。改进的 Luenberger 状态观测器结构框图见图 2,其中 Ki是为了提高系统稳定性而增加的。由图 2 可得出新的 Luenberger 状态观测器的估计精度表达式:图 2改进的 Luenberger 状态观测器结构图ee=JJs3+Kds2+Kps+Kis3+Kds2+Kps+Ki(13)式中:J 为转动惯量;J为估计转动惯量。3仿真与实验3.1实验模型与数据为了分析以上理论过程,对矿用带式输送机在零低速阶段的现场运行工况进行模拟,并设计出矢量控制系统原理图,见图 3.电机参数见表 1,且电机的仿真参数与实验参数相同。图 3高频注入法矢量控制系统图3.2仿真分析工况一:实际预设转速值 100 r/min,时间设置为2 s,经过系统模拟运行,结果见图 4.带式输送机在启动 0.05 s 后达到转速峰值(4(a);带式输送机转速的实际转速与估计转速基本重合(图 4(b);电机初始启动时,电流突然增加到15 A,但在 0.05 s 后,电流趋于平稳的状态(4(c);初始时刻,d 轴电流和 q 轴电流增大,在 0.1 s 后一直512023 年第 10 期吴康等:矿用带式输送机用永磁同步电机控制器研究趋于稳定(图 4(d).工况二:实际预设转速值 100 r/min,时间设置为2 s,但在启动 1 s 后将转速突变为 200 r/min,经过系统模拟运行,结果见图 5.表 1电机参数表电机参数符号数值额定功率/kWP0.25额定转速/(r min-1)n3000额定电压/VU215极对数Pn2负载转矩/(Nm)Tm0.8相电阻/R18.7定子电感/HLs0.026 82转动惯量/(kg m2)J2.26e-5摩擦系数(Nm s)B1.348e-5永磁体磁链/wb0.171由图 5(a)可以看出,带式输送机初始启动 0.05 s 后达到峰值 107 r/min,随后快速下降到预设值,并在 1 s 时,转速突变为 200 r/min;由图 5(b)可知实际转速和估计转速的曲线基本重合;图 5(c)所示,电机在初始启动时,电流突增到峰值 14 A,经过 0.05 s,电流恢复正常;由于 1 s 时,转速突变为 200 r/min 电流发生剧烈波动,但立即趋于平稳。图 5(d)所示为带式输送机 PMSM 的 d 轴电流和 q 轴电流波形,当转速突变为 200 r/min 时,q 轴电流产生 14 A 的波动,而 d轴电流无波动。通过仿真实验可以看出,当带式输送机的转速突然发生变化时,实际转速和估计转速基本重合,在 1 s初会有超调但最后可以稳定下来;说明输出电流和输出转矩能够很快响应负载转矩的变化。图 4工况条件一下的仿真波形图图 5工况条件二下的仿真波形图(下转第 20 页)61山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期燃烧主要由传热作用影响。第 3、4、5 层燃烧主要受裂隙通道的扩展影响,由于氧气随着深度的增加体积分数降低,温度也随之下降。在非均匀的传热作用下传播方向呈现非线性的移动规律。图 5煤体高温区域演化与迁移过程图根据上述实验分析,高温区域的温度随着深度的蔓延而逐渐降低,与实际的矿井发火状态相对应。由于高温区域半封闭环境状态的影响,热量难以向外扩散,强化了煤体的自燃与传热效果。当向外界扩散的热量小于内部产生的热量,煤氧热反应便可以持续进行,最终形成热氧耦合互促过程,也由此导致了矿井火无法熄灭,甚至产生个别煤田火燃烧数百年之久。综上所述,煤体发火过程中向深部蔓延时,受到热力起裂作用产生了微弱裂隙,微弱裂隙深入的氧气量较少,对于煤氧热反应的促进作用较低。然而深部煤体所处的高温半封闭环境推动了热量的主动迁移,导致高温区域不断向深部蔓延。由于微裂隙对于氧气的渗透能力较低,其含量并不是影响煤体持续性火的主要因素。因此,应以地热提取与降温作为治理矿井火的主要技术。6结语1)运用煤体自然发火实验装置再现煤体发火演化过程,煤体温度达到关键点的时间随深度的增加呈现线性演化趋势,而在非均匀的传热作用下传播方向呈现非线性的移动规律。2)对关键点的氧气体积分数氧气演化规律进行分析,氧气的体积分数随温度增加而降低。各层煤体达到燃点的时间与各个关键点的氧气体积分数下降到 1%3%的时间相同。3)由于高温区域半封闭环境状态的影响,热量难以向外扩散,强化了煤体的自燃作用与传热效果。最终形成热氧耦合互促过程,由此导致了矿井火无法熄灭,应以地热提取与降温作为治理矿井火的主要技术。参考文献1蔡春城.防治煤自燃的高稳定泡沫凝胶的制备及其特性研究J.山东煤炭科技,2022,40(10):112-114,120.2李林,陈军朝,姜德义,等.煤自燃全过程高温区域及指标气体时空变化实验研究J.煤炭学报,2016,41(2):444-450.3谭波,牛会永,和超楠,等.回采情况下采空区煤自燃温度场理论与数值分析J.中南大学学报(自然科学版),2013,44(1):381-387.4宋大勇.基于红外成像探测的煤层隐蔽火源反演识别技术研究D.西安:西安科技大学,2012.5王振平,程卫民,辛嵩,等.煤巷近距离自燃火源位置的红外探测与反演J.煤炭学报,2003(6):603-607.(上接第 16 页)4结语为了满足带式输送机 PMSM 高性能的要求,在矢量控制的基础上,基于脉振高频注入法,设计了新的 PMSM 数学模型,并搭建了新的 Luenberger 状态观测器。最后在 MATLAB 中建立带式输送机脉振高频注入法的整体仿真,结果表明该方法能够减小信号的误差,具有良好的鲁棒性和稳态特性。参考文献1殷腾飞.能源消费结构多样性测算及统计分析J.现代营销(上旬刊),2023(1):163-165.2杨小林,葛世荣,祖洪斌,等.带式输送机永磁智能驱动系统及其控制策略J.煤炭学报,2020,45(6):2116-2126.3杨清.永磁同步电机在带式输送机中的应用研究J.机械管理开发,2022,37(8):175-176,179.4马永旺.矿用带式输送机外转子永磁同步电机直驱控制系统D.淮南:安徽理工大学,2022.5杨一恒.永磁同步电机无速度传感器控制J.自动化应用,2023,64(4):108-111.02山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期