无极绳绞车变频调速系统性能分析

李 鹏

（华阳新材料科技集团有限公司机电动力部，山西 阳泉 045000）

引言

煤矿运输效率是保证煤矿高效生产的主要因素。对于煤矿运输而言除了需要带式输送机、刮板输送机、提升机等主要运输系统外，还需绞车、架空乘人装置等辅助系统。对于无极绳绞车而言，随着煤矿生产效率的不断提升以及工作面的复杂程度增加，其传统调速控制方式和策略在实际生产中不同程度地暴露出诸多问题，包括有设备在启停阶段的冲击性极大，当工作面坡度突变时所牵引设备的速度不稳定，设备发生掉道的频率增加等[1]。因此，本文将重点针对无极绳绞车的调速控制方式和策略进行研究，为今后设备控制方式的改进奠定基础。

1 无极绳绞车调速和控制现状分析

无极绳绞车主要由尾轮、托绳轮、压绳轮、张紧装置、梭车等组成。在实际生产中，随着工作面巷道越发复杂及工作面生产效率的提升，急需一款高效率、高安全性的无极绳绞车辅助煤矿生产[2]。目前，无极绳绞车在调速技术和控制策略等方面无法适应现阶段煤矿生产的要求，具体总结如下。

1.1 调速技术方面

目前，可应用于无极绳绞车的调速技术包括机械式调速、直流调速、交流变频调速及开关磁阻调速等。

机械式调速方式具有结构简单、结构体积狭小等优势，但是该种调速方式无法实现无极调速，且在实际生产中容易受到不规律载荷的冲击。直流调速方式具有结构简单的优势；但是，该种调速方式加速时间较长导致系统的效率偏低、设备维护成本偏高。交流变频调速方式结构简单、制造成本低、动态性能优越、节能效果好、可实现装置的软启动、缓解重载或空载启动阶段的冲击性；但是，该种调速方式在实际应用中仍存在掉道事故的发生，影响现场的运输效率[3]。开关磁阻调速方式可有效解决启停阶段对系统造成机械冲击的问题；但是，该种调速方式效率低、成本高。

1.2 控制策略方面

对于上述四类调速方式为了保证无极绳绞车可适应煤矿复杂工况的生产要求，以交流变频调速和开关磁阻调速方式优势明显。但是，对于开关磁阻调速方式而言还处于研究阶段，其很多问题并未从根本上解决，无法稳定应用于实际生产中。因此，针对无极绳绞车目前较为成熟的调速方式为交流变频调速方式。

可适用于交流变频调速方式的控制策略包括有异步电机V/F 的开环变频控制、矢量小闭环控制等。其中，异步电机V/F 的开环变频控制对应系统的输出不稳定，机械硬特性一般；矢量闭环控制的稳定性较差，容易在坡度突变的工况下出现速度突变的问题，从而对系统造成冲击。

2 无极绳绞车调速及控制方案的设计

2.1 无极绳绞车调速方案的确定

基于上述对各类调速方式优劣性分析的基础上，结合无极绳绞车的实际运行工况，考虑到液压调速方式在工程机械、矿山机械广泛应用的案例及其调速范围广、响应速度快、稳定性可靠性高以及特有的防爆功能。因此，针对无极绳绞车采用液压调速方案进行设计。

液压调速方式目前已经应用在实际生产中。实践表明：基于全液压控制的调速方式可有效解决启停阶段对设备造成冲击的问题，可明显降低设备掉道的频率；但是，全液压控制调速方式还存在效率低、能量损耗较大、噪声大且使用寿命低的缺点。因此，在全液压调速方式的基础上，本工程拟采用变频液压调速控制方式实现对无极绳绞车的控制。

2.2 变频液压控制系统设计依据

本文设计变频液压控制系统最终应用无极绳绞车的主要参数如下页表1 所示。

表1 无极绳绞车主要参数

2.3 变频液压控制系统的设计

结合无极绳绞车调速工况要求，设计如下页图1所示的变频液压调速控制系统。

图1 变频液压调速液压原理图

结合表1 中的主要参数对图1 中的关键液压元器件进行选型设计，选型结果如表2 所示。

表2 变频液压调速系统主要液压元件选型结果

3 无极绳绞车变频液压调速系统仿真分析

针对传统变频调速控制策略存在的问题，本变频液压调速系统采用内环PID 控制策略对其进行控制。内环PID 控制策略对应的各项参数通过Simulink 软件进行整定，最终得出适用于无极绳绞车变频液压调速系统的内环PID 控制器的各项参数如下：比例环节因子为0.001，微分环节因子为0.65，积分环节因子为0.02。本文将通过无极绳绞车的牵引速度和液压马达工作压差的变化情况对基于内环PID 控制策略下的变频液压调速系统的性能进行评估。

设定仿真中无极绳绞车的负载扭矩为结果15 kN·m，无极绳绞车的目标速度为2.2 m/s。仿真见图2。

图2 无极绳绞车牵引速度、马达工作压差仿真结果

如图2 所示，基于内环PID 控制的变频液压调速控制系统能够保证无极绳绞车牵引速度在1.2 s 内达到设定的速度值，且在整个控制过程中的超调量较小，最终速度的精度较高；同时，液压马达的工作压差在无极绳绞车的速度稳定后也处于稳定状态。

4 结语

本文在综合分析各类调速方式和控制策略的基础上，最终确定了基于内环PID 控制器采用变频液压调速方式对无极绳绞车进行调速控制，并完成关键液压元件的选型。经仿真分析可知：基于内环PID 控制策略的变频液压调速控制方式具有较好的响应特性、控制精度和较小的超调量，可在实际生产中推广应用。