永磁直驱矿用带式输送机系统关键控制策略研究

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司麦垛山煤矿 倪少军

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金家渠煤矿 沈铭华

随着永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善以及电力电子器件的进一步发展，永磁电机驱动技术的开发和应用也进入了新阶段。目前我国永磁电机已应用于许多行业，单机容量已达数MW。许多煤矿开始采用永磁变频电机直驱系统对新设备配置或对老设备进行改造，使得煤矿井下带式输送机的机械传动结构变得更加简单和高效，既减轻了日常维护工作，又提高了设备效率和系统可靠性。

但是，目前综采工作面的顺槽输送机所使用的变频驱动系统多采用无位置传感器控制技术，在以下几点上还无法满足井下实际使用工况要求：①在顺槽皮带运行中多点驱动无法有效平衡功率，各点驱动存在着相互拉扯造成皮带震荡跳动影响皮带使用寿命和安全运行；②在顺槽皮带重载或满载停车时，由于多点驱动无法有效平衡功率，虽然单机功率富于度很大但无法在重载启动时形成合力造成顺槽皮带启动困难，严重影响煤矿生产效率和产量；③井下综采工作面大量使用水进行降尘处理，使得顺槽皮带表面沾满煤粉水合物致使皮带与滚筒极易发生滑动。

此外，顺槽输送机控制策略和技术还无法有效解决大运距重型带式输送机所需的平滑重载启动、多点驱动功率平衡、协调控制等技术难题，因此，本文采用永磁直驱系统方案。整个系统通过综合控制装置执行多驱系统控制策略和算法。综合控制器实时监测各套驱动系统，并完成相应控制策略。综合控制器根据预设定启动、运行、停机策略及内部负载-转速调节策略，实现驱动系统全工况智能速度控制。

1 永磁电机驱动单元的矢量控制算法

永磁电机驱动单元的矢量控制原理图1所示。控制的外环为速度环，内环由输出电流（id，iq）反馈和电流调节环节构成。采用速度传感器，使永磁电机驱动具备在零速下满转矩输出特性。

图1 永磁电机驱动单元的控制原理

当采用无传感器控制技术时，由于重载启动时永磁电机转子磁极的位置不能准确判断，使得起动转矩产生剧烈波动，从而造成启动失败。通过旋转变压器反馈转子位置角度，可以在任意时刻获得永磁转子准确的角度值，从而正确控制定子电流提供平稳的需求转矩。

另外，在多机驱动条件下，当采用无传感器控制技术时，在零速以及频率较低时（3～5Hz以下，视变频器厂家不同而有所不同），也由于永磁转子磁极的位置不准确，易造成各电机不能完全同步，并伴随低频振动，电流也较大。严重时可能造成个别电机处于发电状态，致使系统不能正常运行。而通过速度传感器反馈转子位置角度，可使各电机严格同步，有效避免上述问 题，且各电机负载得到较好平衡。

2 多点永磁直驱电动机实时回馈校验智能动态平衡分配运行控制

通过综合控制柜的多机系统控制算法对系统各驱动单元进行控制，可实现多驱动部、多点的协调控制。综合控制单元以主机转矩为基准，为从机分配转矩，使得该驱动部内的各驱动单元达到功率平衡。选择其中一个驱动单元为主机，并采用速度控制。控制器通过综合计算获取系统需求总转矩，并计算出从机实际转矩差，以此为依据进行PI调节，并通过数据传送，将转矩指令传送给从机，使从机转矩与主机保持一致，从而达到以实现多点驱动永磁电动机动态平衡运行工作。

3 起动调速曲线分段多变化的调速起车策略

控制系统通过预设的启动曲线逐渐加速启动，智能控制系统通过转矩跟踪，使得在重载启动时，实施分段加速、恒速、在加速运行的控制策略。通过这一策略实现了重载启动的自动分段减小加速度、延长加速时间和张力平衡时间，降低了转矩冲击程度，有效的提高主机与从机转矩的同步性，避免了启动过程中皮带局部张力过大而整体皮带整理严重不平衡的情况发生。

分段变速启动方案对改善皮带机的胶带运行工况，避免了胶带撕裂和跑偏，大大延长胶带的使用寿命降低了生全成本，同时相关连接机械设备由于采用柔性启动策略，大大降低了冲击力，传统设备经常损毁难题得已解决。而其它驱动电机是无法实现的。

4 输送皮带与传动滚筒智能打滑抑制策略

在煤炭负载骤增而引起的皮带张紧力短时激增，同时在煤粉、水份等润滑物质的作用下导致皮带与滚筒摩擦力下降，极易产生皮带与驱动滚筒之间的滑动即打滑。打滑导致皮带磨损加剧，并造成滚筒和电机过速的问题。为此，建立皮带打滑策略是非常必要的。我们通过实时监测各驱动滚筒的转速，并与速度控制的电机的转速进行校验，当转速超过额定转速5%时，PLC判定为发生打滑现象，系统立刻启动打滑抑制策略。打滑抑制策略是通过减小打滑滚筒驱动电机的输出转矩，使得该滚筒转速被控制在一个速度滞环的范围内。当转速稳定后，再逐渐增加转矩达到规定值。此过程中若再次出现超出转速滞环范围时，则再次进入打滑抑制控制，直至打滑现象消失。由于皮带机采用了智能打滑抑制策略，当皮带机能自我判断和处理皮带打滑问题，从而提高了皮带系统可靠性、安全性、延长了系统寿命。从根本上消除了皮带与滚筒产和摩擦高温的根源，提升了井下生产安全系数。

5 系统应用

该技术已成功麦垛山煤矿井下顺槽带式输送机。应用实践证明该技术达到了设计需求，取得了良好的效果。

图2为实际运行的带式输送机头部两个驱动滚筒启动时的转速电流及功率曲线。图2（a）为正常启动工况，图2（b）为重载启动工况。由图可见在正常启动时，驱动系统在较低转速时以较小斜率运行一段时间后及迅速将转速拉到额定转速。而在重载时，在较低转速时有一小段恒速运行，且将整个转速上升时间自动加大，保持电流不致过大。整个启动过程没有冲击。数据表明柔性启动策略产生了很好的作用。

图2 实测柔性启动曲线

图3为多机运行的功率平衡数据曲线。由图可见，所有从机的功率偏差基本不超过5%，但主机略高于从机，但偏差也在10%以内。数据表明多机功率平衡策略在启动及运行过程中都产生了很好的作用。

图3 多机功率平衡运行曲线

结语：本文介绍了基于伺服控制策略的带式输送机永磁直驱系统的构成、控制原理、策略以及实现方法。对系统进行了建模和仿真，仿真结果表明所采用的方法和控制策略是可行的。根据本文介绍的方法，实现了智能重载柔性启动、智能协调控制策略。并在实际煤矿井下顺槽带式输送机上进行了应用，应用数据表明所采用的方法和控制策略是非常有效的。基于伺服控制策略的带式输送机永磁直驱系统技术以其传动链简化、控制系统优越、节能效果显著等优势为煤矿带来较好的技术经济效益，也必将为带式输送机行业解放生产力、节能降耗、改善环境做出贡献。