采煤机电磁调速技术研究.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 0 5 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．6 J a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 1 0 7 0 5 采煤机电磁调速技术研究 刘建功1 ’2 ，王汝琳1 1 ．中国矿业大学机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．河北金牛能源股份有限公司，河北邢台0 5 4 0 0 0 摘要介绍了电磁调速技术国内外研究现状及基本原理，并对电磁调速电动机的性能、电磁调速 系统的动态特性和计算机控制系统进行了研究，提出了电磁调速作为采煤机调速方式的控制算 法，并基于P I 。c 实现了控制算法．实验表明电磁调速电动机具有故障率低、维护简单、调速性 能好、成本低，并能应用于恶劣环境等特点． 关键词采煤机；电磁调速；调速系统 中图分类号T D4 2文献标识码A S t u d yo fE l e c t r o m a g n e t i c a l l yV a r i a b l eS p e e df o rE x c a v a t o r s I 。I UJ i a n g o n 9 1 ”。W A N GR u l i n 2 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．T h ec o m p a n yo fH e b e iJ i n n i uE n e r g yS o u r c e s ，X i n g t a i ，H e b e i0 5 4 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i c a l l yv a r i a b l es p e e da n di t sb a s i cp r i n c i p l ew e r e i n t r o d u c e d ．T h ec a p a b i l i t yo fe l e c t r o m o t o r ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o m a g n e t i c a l l y v a r i a b l es p e e dd r i v ea n dt h es y s t e mc o n t r o l l e db yc o m p u t e r sw e r es t u d i e d ．T h ec o n t r o la r i t h m e t i co f e x c a v a t o rw i t he l e c t r o m a g n e t i c a l l yv a r i a b l es p e e dw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ec o n t r o la r i t h m e t i cw a s a c h i e v e db a s e do nP L C ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a te l e c t r o m o t o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fl o wm a l f u n c t i o nc o e f f i c i e n t ，s i m p l em a i n t e n a n c e ，v a r i a b l es p e e dp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t i n g ， a n dc a nb eu s e di nt h ew o r s te n v i r o n m e n t ，a n dS OO n ． K e yw o r d s e x c a v a t o r ；e l e c t r o m a g n e t i c a l l yv a r i a b l es p e e d ；v a r i a b l es p e e ds y s t e m 电磁调速是一种传统的调速技术，基于该技术 的电机为“电磁调速电动机”又名滑差电机或滑差 离合器，其特点是在鼠笼型异步电动机轴上装有一 个电磁离合器，并由可控硅控制装置控制离合器励 磁绕组的电流[ 1 ] ．改变这一电流，即可调节离合器 的输出转速． 电磁调速电动机是一种结构简单、加工方便、 使用可靠、起动性能好、起动转矩大、可直接使用三 相交流电源、控制系统简单 可手控、自控和遥控 、 维护方便、价格较低、对电网无谐波影响、调速范围 宽广 一般大于1 0 、速度调节平滑、有一定的调速 精度 2 ％左右，有的可达1 ％以下 的调速设备．自 诞生以来，已有四十多年的历史，我国目前有J Z T ， Y C T ，Y C T D 等3 大系列，在各行各业都有广泛应 用[ 2 ] ． 近年来，国内开始了电磁调速采煤机的研究， 把电磁调速电动机作为牵引动力，使采煤机的牵引 具有性能可靠、结构简单、控制方便、调速灵活等优 点，而且其价格低廉，维护方便，已成为一种适合我 国煤矿应用的采煤机电牵引调速方式口] ． 1电磁调速电动机的工作原理 电磁调速电动机的工作原理如下当励磁绕组 通入直流电流后，沿磁极圆周交替产生N ，s 极，磁 收稿日期2 0 0 4 0 1 0 6 作者简介刘建功 1 9 5 6 一 ，男，河北省邢台市人，教授级高工，博士研究生，从事交流调速和计算机控制方面的研究． 万方数据 1 0 8 中国矿业大学学报 第3 3 卷 力线通过磁极N 一气隙一电枢气隙一磁极s 与 辅助气隙一导磁体一辅助气隙一磁极N 形成回 路，如图1 所示． 励磁电源 图1电磁调速电动机原理图 F i g ．1 T h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fe l e c t r o m o t o r 电枢与磁极无机械连接，而是通过电磁作用联 系的．因为电枢是由鼠笼异步电动机带动，可以假 定以恒速旋转，这时电枢切割磁力线产生感应电动 势，该电动势可用下式表示 E B L R c o l 一叫2 ， 1 式中B 为气隙的磁感应强度；L 为电枢的有效长 度；6 0 。为原动机的转速；R 为电枢的有效半径；0 ．1 。 为磁极的转速． 该电动势在电枢上引起的涡流，若认为每一个 磁极下的等效阻抗为乙，则涡流电流为 i E ／Z ，一B L R c 0 1 一 c ，2 ／a p ． 2 这个电流与旋转磁极的磁通相互作用，产生电 动力为 F B i L ． 3 在这个电动力的作用下，沿电枢的切线方向产 生一个电磁力矩 M F R B 2 L 2 R 2 P 叫1 一吡 ／Z 。， 4 式中P 为电枢极对数． 由此，力矩拖动电磁调速电动机的电枢随异步 电动机而转动． 作用于磁极上的电磁转矩的实际方向与电枢 旋转方向相同，其结果使得磁极跟着电枢同方向旋 转．磁极的转速门就是电磁调速电动机的输出转 速．咒。的大小取决于磁极电磁转矩的大小，也就是 取决于励磁电流的大小．在一定负载下，励磁电流 的大小决定输出转速的高低，励磁电流越大转速就 越高，励磁电流越小转速就越低．它的自然机械特 性曲线如图2 所示．这样，通过改变励磁线圈的电 流，就可达到改变输出转速高低的目的[ 4 ] ． 当然，电磁调速器的自然特性太软，不可能直 接应用，如果通过人为调控，改变电流的大小，则可 维持转速变化很小，并且可以控制其变化率．也就 是说，机械特性可以按所需要求给出．电动机的机 O 图2自然机械特性曲线 F i g ．2 P e c u l i a r i t yc u r v e so fp r i m i t i v em e c h a n i c 械特性是指电动机的电磁转矩M 与转速，z 之间的 关系，即粗一厂 M ．电磁调速电动机的机械特性可 近似地用下列经验公式表示 ，2 2 一咒l K M 2 ／罐， 5 式中咒。为离合器主动部分，即电动机的转速；咒。 为从动部分，即输出轴的转速；M 为电磁滑差离合 器转矩；i 。为励磁电流；K 为系数． 图3 为电磁调速电动机的人工机械特性曲 线‘5 | ． 图3 人工机械特性曲线 F i g ．3P e c u l i a r i t yc u r v e so fh u m a nm e c h a n i c 2电磁调速的动态特性及控制方式 在电磁调速系统中，异步电动机作为原动机， 可以看作是恒速运转的，因此在研究电磁调速系统 时，只需推导电磁调速电动机的传递函数就可以 了． 如果我们设电磁调速电动机的励磁线圈电阻 为R ，电感为L ，则励磁电路的微分方程为 “一i R L 塞， 6 式中U 为励磁线圈的电压；i 为励磁线圈的电流． 按照电磁调速电动机的机械特性，当励磁电流 为i 时，负载以卵稳定运行，对应一个电磁转矩丁， 当励磁电流突然增加＆时，由式 5 可以看出速度 有所增加，应该看到，速度的增加是电磁力增加引 起的，如果我们假定转速恒定，电流增加△i 电磁转 万方数据 第6 期刘建功等采煤机电磁调速技术研究1 0 9 矩则增加A T ，我们把电磁转矩对电流的变化率 A T ／A i 为K 1 ． 电磁调速系统是一个稳定的调速系统，电磁转 矩对速度的变化率小于负载转矩对转速的变化率， 根据采煤机负载特点，励磁电流稳定后，负载转矩 随转速变化而变化，我们把负载转矩的变化量△丁 与转速的额变化A n 的比值称为K ． 由电力拖动系统的运动方程式限7 | ，可以得出 K 1 i K 咒一鬃警． ㈩ 对式 6 ， 7 进行拉氏变换，则有 U 5 一i s R L i s S 一 R L s i s ， 器 而1 ；一瓦1 点T S ， 8 U 5 R L sR 1 1’ 、”7 T 1 一L ／R ． K l i ㈤一 m 桀s m ，， 沁，一I K 。 祭s m ，一 半．Ⅳ 班 等 蕊K TS 一惫K 志Ts ／K ，㈤ i s 2 22 1 22 ’ ”7 T 2 一G D 2 ／a 7 5 ． 对于电磁调速系统，应该把可控硅整流装置包 括在内，考虑到可控硅整流装置的滞后作用，其传 递函数为 形∽ ‰， 1 0 式中k 。为可控硅比例系数；丁。为时间常数． 从式 8 ～ 1 0 中可以看出，电磁调速电动机 的动态特性应该是三阶的，为了提高电磁调速系统 的稳定性和静、动态特性，应采取速度、电流双闭环 控制．在速度调节器中，我们采取了P I D 调节器[ 8 | ， 其算法为 以f 一K b U r K j 卜d t K 。d 坼／d ￡． 1 1 式中K 。，K ；，K 。分别为比例、积分、微分环节的放 大倍数；“。 ￡ 为调节器的输出；U ， ￡ 为给定与反馈 之差，调节器的输人． 对上式进行拉氏变换 甜。 J 一K b 坼 j K j ．掣 K 。5 Ⅵ 5 ， 糍一K b 等坻s 一坠等型， 1 2 电流调节器采用P I 调节器，其算法如下 i ， f 一k j b i ， ￡ k j b Ii r d t ， 1 3 其传递函数为 叫 5 一k iL 生， 1 4 S 式中k ．为电流调节器． 按上述传递函数，电磁调速系统的速度、电流 双闭环方框图如图4 所示 图4电磁调速系统的速度、电流双闭环方框图 F i g ．4 T h ef r a m eo fs p e e da n dc u r r e n td o u b l ef e e d b a c ko fv a r i a b l es p e e ds y s t e m 为了使调节效果更理想，采用了速度、电流双 闭环调速系统，见图4 ．因为在单环调速系统中，由 于电网电压波动所引起的扰动，经过一系列机电惯 性的滞后才能反应到转速上来，等到转速反馈产生 调节作用，为时己晚，增加电流内环后，电压扰动被 包在电流环内，由电网电压变化所引起的动态速 降，可即时通过电流反馈得到调整．由负载引起的 扰动，处在电流环外，通过速度环来调节． 由图4 可以看出，K 。是负载转矩对转速的变 化率，如果K 。比较小，电磁调速系统的机械环节 则成了纯积分环节，系统处于不稳定状态，为此，系 统的速度闭环采用了P I D 调节方式，具有调节及 时的特点，比例系数可随程序调节，比例调节作用 越强，系统的稳定精度越高，积分作用可以消除稳 态误差、提高控制精度，只要误差不为零，控制器的 输出就会因积分作用不断变化，一直到误差消失， 系统处于稳态时，积分部分才不会变化；积分时间 常数增大，积分作用减弱，有利于系统的动态稳定 性．所以使整个闭环系统很好地解决了动、静态要 求的矛盾． 电磁调查双闭环控制原理见图5 ．表面上看， 电流负反馈有使特性变软的趋势，但是，由于电流 环在速度环的里面，电流负反馈仅相当于一个扰 动．设计中将速度调节器的放大倍数做得足够大， 且正常调速下不饱和．那么，电流负反馈的扰动作 用就受到抑制，即电流负反馈可能产生的速降可能 完全被速度调节器的积分作用消除了．在启动中， 突加给定，转速负反馈还没有反应过来，相当于速 度环处于开环状态，系统在电流环的作用下工作． 该过程中系统表现为一恒流调节系统．由于设计合 理，参数选择适当，控制系统可以实现“时间最优控 制”． 万方数据 1 1 0中国矿业大学学报第3 3 卷 电流变换 图5 双闭环控制原理图 F i g ．5 T h ep r i n c i p l ep i c t u r eo fd o u b l e f e e db a c kc o n t r 0 1 3 电磁调速采煤机的实验研究 近年来，我们利用电磁调速技术，研制多种型 号的采煤机，从薄煤到中厚煤层，几乎覆盖了全部 煤层．采煤机电控系统采用西门子S 7 2 0 0 P L C 程 控器为控制核心，外围辅以必要的传感器及执行器 件，实现对采煤机的操作控制及动力制动控制．控 制核心采用西门于S 7 2 0 0 P I 。C ，并扩展两块4 输入 1 输出模拟量模块E M 2 3 5 ，并选用与s 7 2 0 0 配套 的I D 一2 0 0 汉显模块作为显示模块．外围配件包括 电流变送器．输出继电器及移相触发电路，可控硅 整流电路等．在控制方式上采取了逻辑操作和运行 速度的控制部分功能双方案，在逻辑操作中，包括 正反向牵引及停机控制、摇臂升降控制、制动闸的 投切控制以及流量保护控制等．这些功能均由 P L C 根据操作命令及反馈信号和各种动作之间的 相互闭锁关系，由程序控制来实现． 在运行速度控制中分为以下4 个部分 4 结论 ∥s a 司机给定速度曲线 1 速度给定作为司机所希望采煤机运行的速 度 当司机按加 减 速时，显示的给定速度值开始 增加 减少 ，控制采煤机按给定速度运行． 2 对采煤机运行速度的控制 即对两台牵引滑差电机转速的控制，通过控制 其励磁电流来实现．其控制过程采用分别由速度、 电流构成的双闭环调节系统来实现，滑差电机的转 速作为速度反馈，通过调节控制使采煤机以给定速 度运行． 3 运行过程中对截割电机电流的间接控制 在采煤机运行过程中由于煤质的变化，截割电 流也随之发生变化．当电流大于一定值时，通过截 割电流的反馈和速度给定信号叠加进行分析并给 出指令，降低牵引速度． 4 制动运行状态下速度的调节控制 当采煤机在较大倾角工作面下行出现滑坡现 象时，采煤机处于负力运行状态，此时即便励磁电 流降为零，采煤机运行速度并不下降甚至还会增 加，当超过给定速度时即投入动力制动，即停原动 机并抱闸，在调节电路的调节下控制励磁电流，此 时励磁电流越大它提供的制动力也越大．保证采煤 机在下坡时也能正常工作． 当采煤机在制动状态下运行时，如果励磁电流 降为零，采煤机运行速度还减小，此时即可解除动 力制动状态，即松开原动机闸，按运行方向重新启 动原动机，调节器进入正向调节过程． 实验结果如图6 所示，它反应了采煤机加速、 等速和制动状态下速度跟踪情况． t ／s b 采煤机实际速度曲线 图6 实验结果图线 F i g ．6 T h ec u r v e so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s 电磁调速电动机属于改变转差率的交流调速 方式．采用闭环系统可得到较大的调速范围，可平 滑调速．并具备交流调速和直流调速的双重优点， 随着电子技术的不断发展和计算机技术在控制系 统中的应用，电磁调速电动机电流的控制精度和控 制性能可以做得非常好，所以电磁调速电动机作为 一种故障率低，维护简单、调速性能好，成本低，并 能应用于恶劣环境的调速装置，将会更广泛地应用 万方数据 第6 期刘建功等采煤机电磁调速技术研究 在采煤机上． 参考文献 [ 1 ] 陈伯时．交流调速系统[ M ] ．北京机械工业出版社， 1 9 9 8 ． [ 2 ]魏书慈，金竹．新型Y C T P 电磁调速电动机的开发 研究[ J ] ．机电工程，2 0 0 1 3 5 2 5 5 ． W e iSC ，J i nZ ．T h ed e v e l o p m e n to fan e w t y p e Y C T Pe l e c t r o m o t o r [ J - ] ．E n g i n e e r i n go fM a c h i n ea n d E l e c t r i c i t y 2 0 0 1 3 5 2 5 5 ． [ 3 1 郭新喜，项克胜．一种软启动无静差电磁调速装置 I - J ] ．电机技术，2 0 0 1 5 3 3 3 6 ． G u oXX ，X i a n gKS ．T h ee q u i p m e n to fn os t a t i c e r r o re l e c t r o m a g n e t i cv a r i a b l eo fs o f ts t a r t e r [ J ] ． M o t o rT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 5 3 3 3 6 ． [ 4 ] 李永东．交流电机数字控制系统[ M ] ．北京机械工 业出版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 刘建功．电磁调速系统在采煤机电牵引应用的研究 [ J ] ．煤矿机电，2 0 0 2 2 4 5 4 7 ． L i uJG ．T h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o m a g n e t i c v a r i a b l es p e e ds y s t e mu s e di ne x c a v a t o r [ J ] ．’C o a l M a c h i n ea n dE l e c t r i c i t y ，2 0 0 2 2 4 5 4 7 ． [ 6 ]陈伯时．自动控制系统[ M ] ．北京机械工业出版 社，1 9 8 1 ． [ 7 3黄济荣．电力牵引交流传动与控制[ M ] ．北京机械 工业出版社，1 9 9 8 ． [ 8 ]陶永华．新型P I D 控制及其应用E M ] ．北京机械工 业出版社，1 9 9 8 ． 责任编辑姚志昌 2 0 0 3 年度E l 光盘版 收录中国矿业大学学报发表论文情况 二 第一作者 胡华 朱书全 代世峰 张勇 张东晨 宋党育 徐桂云 陶龙光 葛世荣 孔炜 刘建华 李学华 赵炜 盛业华 杨敏 童敏明 陈开岩 王艳慧 题名 似膏体黏弹塑性流变模型与流变方程研究 3 种难溶性矿物对煤成浆性的影响 华北地区晚古生代煤中微量元素及A s 的分布 基于信息扩散理论的隧道系统动态稳定性分析 关于摇床差动特性评定的研究 电厂热煤中有害微量元素的燃烧迁移行为研究 润滑脂在钢管中流动的壁滑移研究 盾构过地铁站施工对地表沉降影响的数值模拟 纳米S i O 填充尼龙P A l 0 1 0 的摩擦磨损性能实验研究 地震多属性分析在煤田拟声波三维数据体预测中应用 直流电阻性本质安全电路低能电弧放电分析 加固顶板控制巷道底鼓的数值分析 复配型环氧树脂地层灌浆材料的研制 矿山地表塌陷区的数字近景摄影测量监测技术 矿山信息系统开放式架构 新型瓦斯传感器关键技术的研究 矿井通风系统安全可靠性评价软件设计及应用 G I S 中地理要素多尺度概念模型的初步研究 刊期 2 0 0 3 年第2 期 2 0 0 3 年第2 期 2 0 0 3 年第2 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第3 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 2 0 0 3 年第4 期 中国科技信息研究所公布 号1 2 3 4 5 6 7 8 9 O 1 2 3 4 5 6 7 8 一予2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 万方数据