刮板输送机电机控制系统研究

李剑波

摘 要：为了解决原有刮板输送机启动波动大、稳定性差的问题，本文介绍了一种基于高频脉振电压注入法的永磁同步电机初始位置监测法，给出高频脉振电压注入法的检测原理，并利用Matlab仿真模拟对基于1/F和基于高频脉振电压注入法启动的电机转速及转矩进行对比，验证了基于高频脉振电压注入法启动的优越性，为刮板输送机的电机启动作出一定的贡献。

关键词：刮板输送机;仿真模拟;永磁同步电机

1 前言

刮板输送机是综采工作面运输的主要机械设备，其具有大距离、大功率及高速度的特点。但由于低速异步电机技数多，轻载电流大，功率因素低的问题使得电机的维护成本增加，使得矿山的经济效益下降。为了解决此类问题，许多学者对刮板输送机电机进行研究，永磁同步电机由于采用多永磁励磁，可以有效的提升电机的效率及功率因素。本文基于大功率永磁同步电机对刮板输送机进行设计，有效的提升了刮板输送机的效率且实现了节能降耗的目的，为矿山的经济效益作出一定的贡献。

2 高频脉振电压注入法分析

刮板输送机的调速装置主要由交流电机及变频器组成，在矿井的高瓦斯环境中，调速装置必须具有防爆的能力，永磁同步电机的定子结构与普通的交流电机基本类似，但其转子是采用永磁体结构形成的转子磁链，永磁同步电机按照转子结构可分为表贴式和内置式。同时由于刮板输送机的工况使得永磁电机必须具有无位置传感控制的能力，所以基于脉冲电压注入法对电机的初始位置进行检测，对电机静止时转子的位置进行检测，以达到实时监测刮板输送机运行情况。

在进行带式输送机启动后，需要对永磁同步电机的基本位置进行确定，且在检测的过程中需要保证电机的静止。所以需要基于脉冲电压注入法对永磁同步电机进行位置检测。脉冲电压注入法检测原理图如1所示。

如图1脉冲电压注入法检测原理图可以看出，在电机的定子端输入振幅为usm的电压矢量n1个，同时在n1Tc至n2Tc时间段内不进行电压矢量的注入，此时需要确保永磁同步电机的定子自由衰退，达到零值。如图2为注入电压矢量的顺序图。

如图2注入电压矢量顺序图可以看出，注入的6个电压矢量的注入角度分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，选取定子电量幅值最大值的角度θ1*，如图2（b）可知注入2个电压矢量，注入的角度为θ1*-30°和θ1*+30°，此时对比三个角度注入的电压矢量电流幅值，选定幅值的最大值作为θ2*，如图2（c）为θ2*角度下注入2个电压矢量，注入的角度分别为θ2*-15°和θ2*+15°，同样对比三个注入角度下定子电流幅值，选定幅值的最大值定子作为θ3*，如图2（b）为θ3*角度下注入2个电压矢量，注入的角度分别为θ3*-7.5°和θ2*+7.5°，样对比三个注入角度下定子电流幅值，选定幅值的最大值定子作为θ4*，如图2（e）为θ4*角度下注入2个电压矢量，注入的角度分別为θ4*-3.75°和θ4*+3.75°，同样对比三个注入角度下定子电流幅值，选定幅值的最大值定子作为θ5*，如图2（f）为θ5*角度下注入2个电压矢量，注入的角度分别为θ5*-1.875°和θ5*+1.875°，同样对比三个注入角度下定子电流幅值，选定幅值的最大值定子作为θ6*，如图2（g）为θ6*角度下注入2个电压矢量，注入的角度分别为θ2*-0.94°和θ2*+0.94°，同样对比三个注入角度下定子电流幅值，选定幅值的最大值定子作为θ7*，此时θ7*则为转子的初始位置。可以看出基于脉冲电压注入法测得的永磁同步电机初始位置的方法检测精度为0.94°，检测的精度较高，同时检测精度也受到采集电流精度的干扰。

3 仿真模拟

为了检测永磁同步电机调速方案的可行性，在Matlab软件中进行仿真研究，永磁电机的仿真参数分别为电机极对数30;电机的额定转速为60r/min;电机的额定功率、额定电压及额定电流分别为630kW、1140V和330A。同时为了验证刮板输送机的重载启动性能，设置电机的启动复载转矩为40kN/m，同时电机的最大启动转矩为额定转矩的1.8倍，所有最大启动转矩180kN/m。启动的电机转速为5r/min，电机启动采取1/F的启动方式进行仿真。当采用1/F的启动方式启动时，保持启动的电流恒定，此时的随着电机启动时间的增大，电机转速呈现出在5s内的快速上升趋势，在时间为5s时，此时的的电机转速度为5r/min，达到目标的转速，基于1/F的刮板输送机启动时间较长，在达到目标转速后，电机的转速持续保持在5r/min并产生一定的波动，波动幅度较大。同时观察基于1/F的刮板输送机启动转矩波形图，可以看出在相同的电流下电机的启动转矩波动较大，这是由于电流的输入角度与实际电机的转子初位处在较大的偏差，所以造成电机的启动转矩小于额定的启动转矩，电机启动时间较长，启动效果较差。基于高频脉振电压注入法的刮板输送机启动波形图如图3所示。

如图3所示为基于高频脉振电压注入法启动转速及转矩波形图，可以看出当采用高频脉振电压注入法启动方式启动时，保持启动的电流恒定，此时的随着电机启动时间的增大，电机转速呈现出在3s内的快速上升趋势，在时间为3s时，此时的的电机转速度为5r/min，达到目标的转速，可以看出高频脉振电压注入法较于1/F的刮板输送机启动时间有了明显的缩减，在达到目标转速后，电机的转速持续保持在5r/min并不会出现波动情况。同时观察基于高频脉振电压注入法刮板输送机启动转矩波形图，可以看出在相同的电流下电机的启动转矩瞬间达到最大值，这是由于电流的输入角度与实际电机的转子初位处误差较小，电机的位置得到较好的监测，启动效果较好。可以看出基于高频脉振电压注入法对电机的启动有了较好的优化。

4 结论

本文结合刮板输送机实际运行情况，研究了高频脉振电压注入法的永磁同步电机定子初始位置检测法，介绍了高频脉振电压注入法的永磁同步电机定子初始位置检测法的原理，并基于仿真模拟对基于1/F启动刮板输送机转速及转矩的波形图进行分析，给出了启动的不足，并仿真模拟了基于高频脉振电压注入法启动波形图，发现基于高频脉振电压注入法的电机启动具有启动时间短、波动小、稳定性强的优点。为刮板输送机的电机优化作出一定的贡献。