刮板输送机永磁半直驱系统速度控制策略研究

余文涛

山西焦煤西山煤电马兰矿 山西 太原 030205

刮板输送机是综采面煤炭运输的主要设备，其链条性能的好坏直接影响到运输设备的运输性能。传统刮板输送机主要借助于减速器进行调速，效果差且设备损坏率高[1]。为此，本文提出永磁电机半直驱作为驱动装置，根据负载信号的不同，实现了实时精准的控制，有良好的应用效果。

1 永磁电机半直驱刮板输送机系统机电耦合动态特性研究

刮板输送机永磁电机半直驱动系统是将电磁力、传动力和摩擦力相互耦合的复杂驱动系统，变频驱动刮板输送机主要是通过变频器控制链轮的驱动力，实现对输送机运行速度的调控，永磁电机半直驱动系统则是根据输送机负载状态，通过负载信号实现对电机的矢量控制，闭环控制的过程中实现了机械能和电磁能之间的转化。针对机电耦合状态，众多学者针对负载调控进行了研究，对于机电耦合系统的研究却颇少。

永磁电机半直驱动系统由电机、齿轮和刮板输送机构成。其中，电机产生的电磁力、齿轮产生的传动力以及管板输送机运行过程中产生的摩擦力之间相互耦合构成了半直驱动系统。本文以刮板输送机为主，对系统机电模型进行分析研究。

不同于传统的电机，永磁电机磁场的产生主要依赖于永磁体，输入的三相电流经过定子绕组形成了磁场，磁场的形成将电能转化为磁场势能，同时实现了电机转子的同步运动[2]。

为了简化刮板输送机机电耦合模型，将电机轴和齿轮传动轴设计为一个整体，得到图1所示的刮板输送机机电耦合模型图。

图1 刮板输送机机电耦合模型图

图中，电机转子的角速度用ωe表示，经过齿轮的传速，电机转子的输出角速度为ω'e，输送机的刚度系数以及阻尼系数分别用kw，cw表示，机械传动角速度为ω'm，为了保证计算结果的准确性和及时性，视电机转子输出和齿轮系统输出一样，简化系统后，永磁电机半直驱动系统分为电机系统和刮板输送机系统两部分。

2 永磁电机半直驱应用研究

从上述分析可知，永磁电机半直驱动系统主要有电机系统和刮板输送机系统两部分。图2为永磁电机半直驱电机系统图，系统图中，选用TYVZ-3800-280M-16型的永磁电机，电机的额定功率为37KW，额定电流为73.2A，额定电压为380V，定子电阻为0.136Ω，反电势常数为1060V，转动惯量为1.98kg·m2。为了更加真实的反映刮板输送机运行过程中载荷的波动，利用磁粉式测功机系统模拟输送机载荷波动状况。为了充分研究不同工况下系统的运行状态，对空载运行、稳定承载运行和随机承载运行状态进行研究。

图2 永磁电机半直驱电机系统图

2.1 空载运行工况研究

图3为空载运行状态下系统工况曲线，从图3中(a)图可以看出，在空载运行状态下，电机在运行初期转矩最大达到1.09×104N·m，随后开始快速降低，在运行约2s左右，转矩值稳定在0.34×104N·m，分析其原因，为了克服链条及刮板的工作阻力，电机产生电磁转矩，而在电机运行初期，会产生较大的电流，在电流的驱动作用下，电磁转矩产生，且电磁转矩的波动与电流波动规律一致。从图3中(b)图可以看出，在电机启动初期，依靠链轮链条的啮合作用进行运行，因此链轮链条啮合处速度最大， 在啮合作用的传递作用下，距离电机较远的位置速度最低，且承载段和非承载段速度变化趋势相同。但是不同关键段内速度变化趋势有差别，在靠近机头机尾处速度波动较大，但是在电机启动2s左右的时间，速度值最终稳定在1.8m/s左右，在电机启动的短时间内，承载段和非承载段加速度会出现波动的状况， 一定张紧力的皮带在运行过程中会受到冲击力作用，使得链条速度加快，此时加速度值最大，达到24.25m2/s，这一现象在机头机尾两侧作为明显。随着空载运行的持续进行，冲击力作用逐渐减小，因此加速度值也随之减小，在2s左右后，加速度值较为稳定，值为0。

2.2 稳定承载运行工况研究

在空载运行3s后，系统进入稳定运行阶段，在稳定运行阶段前3s内，电机速度有一定范围的波动，3s后速度逐渐趋于稳定。电机n1和电机n2速度变化趋势相同，但是电机n1的变化幅度大于电机n2，在2s左右达到755 r/min，在120s后稳定在750 r/min左右。

而在稳定承载阶段，输送机的运行速度经过两次大的波动，两次波动有差异，第一次波动输送机承载段和非承载段都有明显的波动，第二次波动非承载段现象大于承载段的波动，分析其原因， 在输送机运行过程中，链条受到冲击力作用，此冲击力会被链条以及运输物料吸收，造成了承载段与非承载段张力的差距，关键段内电机波动的最大速度为3.6m/s，在运行15s后稳定在1.8m/s左右。从速度曲线可以看出，在运行的前1s时和4s式，因为链条链轮的啮合作用，链条运行速度波动较大，12s左右时间开始逐渐稳定，在15s时完全稳定下来。

2.3 随机承载运行工况研究

在随机承载运行状态下系统工况曲线，电机转速没有大范围的波动，20s左右受到载荷作用，电机转速开始出现波动，且持续一段时间，分析其原因，在长距离长时间的运输过程中，刮板输送机上的物料会出现堆积 ，随着堆积物的增加，电机运行速度也会出现波动，机头电机波动范围大于机尾电机波动范围。在20s开始，随着负载的增加，链条运行速度开始波动，处于承载段的链条速度呈现下降的趋势，非承载段的链条速度则呈现增大的趋势。23s时，链条运行速度达到最大，值为2.8m/s，在刮板输送机长距离运输的条件下，链条速度得增加对链条冲击较大，在刮板输送机位置550m的位置，速度波动较为平缓，在250m的位置，速度波动最大。根据速度曲线分析链条运行过程中加速度的变化，当刮板输送机链条运行速度波动较大时，链条的加速度会出现明显波动，在刮板输送机位置550m的位置，加速度值接近0，在250m的位置，加速度波动最大。

对于不同工况下系统的运行状态分析可以看出，无论刮板输送机处于什么工况下，永磁电机半直驱电机都有良好的动态响应，且可以根据负载信号的不同进行自动调节，调节后电机及链条运行速度有波动，但是减少了传统刮板输送机大转速小运输的问题，由此可见，永磁电机半直直驱刮板输送机具有良好的动态响应，良好的驱动方式增加了设备运行的可靠性。

3 结论

本文基于永磁电机半直驱刮板输送机系统机电耦合动态特性研究，对空载运行、稳定承载运行和随机承载运行状态下系统工况进行了研究，研究结果表明，对于不同复杂工况下，永磁电机半直驱电机都能根据负载信号迅速做出动态响应，及时减少了设备的损坏，提高了设备运行的稳定性。