应用同步永磁耦合器双驱皮带机电流均衡方法.docx

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1、摘要：同步永磁耦合器是通过永磁铁的磁力将原动机与负载机联接起来的一种无机械连接的新型联轴器，具有高效率、免维护、振动隔离效果好等特点。在双驱皮带机上，因其同步特性不能解决驱动电机电流的不均衡问题，推广和应用受到极大地限制。从分析驱动电机电流不均衡的原因出发，提出了应用均流互感器解决电流不均衡的方法。仿真分析验证了均流互感器均衡双驱皮带机驱动电机电流的有效性。O引言皮带输送机广泛应用于煤炭、水泥、电力、钢铁等行业。皮带机的驱动系统中,通常在电机与齿轮箱之间设置了限矩型液偶，达到柔性驱动的目的。柔性驱动能够有效保护轴系中各个设备。限矩型液偶在实际应用中存在一些问题，尤其是应用在带式输送机驱动系统中

2、存在较大的隐患【1。比如说，环境温度的变化导致油的粘度改变，影响柔性度；当过载时会产生高温，里面的高温油从易熔塞中喷出会污染环境等等。同步永磁耦合器通过永磁铁的磁力作为介质传递转矩，在具有与限矩型液偶类似的柔性等优点的同时，兼具传递效率高、隔离振动效果好、全生命周期免维护等特点【2】，在市场上多种有逐渐取代限矩型液偶的趋势。在一些特殊的场合，例如皮带机是由两台电机来驱动（俗称双驱皮带机），采用同步永磁耦合器替代限矩型液偶可能导致驱动电机的电流不平衡。作者在用户现场发现最严重的电流不平衡情况是1台电机的电流是另一台电机的50%o不解决双驱皮带机电流不平衡的问题，同步永磁耦合器的适用范围将大大缩小

3、。1双驱皮带机电流不平衡的原因分析双驱皮带机驱动电机电流不平衡的原因，可以从异步电机定子的形等效电路【3】着手，如图1所示。RiXiAZWXm图1异步电机定子冗形等效电路式中：V1输入电压；H输入电流；Xi定子电抗；R1定子电阻；X2折算到定子侧的转子电抗；R2折算到定子侧的转子电阻；S转差率（同步转速与实际转速之差与同步转速的比值）；Xm激磁电抗；Rm激磁电阻。通常激磁电流远小于Xm和Rm4。为了简化计算,可以忽略激磁支路，得21YYY到1形等效电路如图2所示。X11/YYW图2异步电机定子1形等效电路从简化的1形等效电路中可以看出，由于X1、R1、X2都很小，影响定子电流最大的因子是S和R

4、2。忽略Xi、RkX2得到:_匕_匕XS1HrR；S(1)从式(1)可以看出，影响H最大的三个参数是VkS和R2；因为双驱电机的供电电源是同一个电源，所以通常认为两台电机的V1是相同的。再忽略电机本身参数的差异认为R2相差不大,则电机的电流H与转差s大约成正比。假设某型号四极电机标准转差率为30rpm【5】，规定转差率的容差为30%,那么该型电机额定转速标准值为1470rpm,容差为9rpm,即该电机在1461rpm-1479rpm之间均符合标准。但是前者的转差率S1为0.026,后者的转差率S2为0.014,其结果导致前者H大约是前者的1.8倍。2限矩型液偶平衡电流的原理限矩型液偶以液体作为

5、媒介传递转矩，具有柔性传动、驱动电机轻载起动、过载保护以及多机协调同步起动等特点，大规模应用于各种皮带输送机场合【6】。限矩型液偶均衡电流的步骤如下【7】:第一步，调节电流小的电机对应的液偶，通过增加液体的压力使其输出速度上升。由于液偶的最高输出转速不能超过输入转速，所以调节的极限是液偶允许的最大压力。如果调节到极限还不能满足电流均衡的要求，就实施第二步，即调节电流大的电机对应的液偶，通过减小液体的压力使其输出速度降低。下面来分析限矩型液偶均衡电流的原理。先看第一步。提高电流小的电机对应液偶的输出速度，整个皮带输送的速度加快了。该电机负载增加，转速降低，其结果是转差率增大，电流增大。另一台电流

6、大的电机则由于皮带输送速度的增加而转差率减小，电流减小。电流不平衡得到改善。再看第二步。降低电流大的电机对应液偶的输出速度，整个皮带输送的速度降低了。该电机负载减小，转速升高,其结果是转差率减小，电流减小。另一台电流小的电机则由于皮带输送速度的降低而转差率增大，电流增大。电流不平衡得到改善。综上所述，限矩型液偶不仅提供柔性驱动，而且能够均衡双驱皮带机两台驱动电机的电流。3带有同步永磁耦合器的双驱皮带机电流均衡方法从式（1）可以看出，要想均衡电机的电流，就必须调整电机的转差率，或者说调节电机的转速。同步永磁耦合器同步传递转矩，无法调节转速，因此无法通过自身来均衡电流。一个外部调节转速的方法就是采

7、用变频器对电机进行调速【8】。采用变频器进行调节有两种方法：方法一：将电流小的电机升速；方法二：将电流大的电机降速。无论哪一种方法，都可以得到满意的效果。因此只需要一台电动机加装变频器驱动即可。利用变频器均衡电流的原理类似于液偶，其实质也是改变了电机输出的转差率，在此不再赘述。这种方法的最大缺点是成本高，特别是对于那些采用高压电机驱动的皮带机。此外变频器对环境要求较高，可靠性较低。重新审查式（1）可以发现，前面所述都有一个前提,即V1是两台电机的共同电源，是不可改变的。但是既然s和R2都无法改变，那就必须考虑如何改变电压了。从式（1）可以看出，电流和电压是成正比的。简单地说，升高电流小的电机的

8、电压，或者（和）降低电流大的电机的电压，可以改善电流不平衡的状况。调节电压有很多种方式，例如：串电阻调节、串电感调节、变压器调节等等。导致电流不平衡的因素并不是确定的，如皮带机滚筒的磨损程度，或者电机运行温度变化导致R2发生变化等等，相应地,V1的调节也应该是自动和连续的。显然，上述这些调节电压的方法实施难度比较大。既然调节的目的是为了减少两台电机电流的不平衡，因此可以利用两者电流的差异来作为输入条件调节电压。设计一个合适的电流互感器，利用通过互感器的电流偏差值来实现差值电流的自动平衡以及连续可调。4均流互感器平衡电流的原理为了说明均流互感器平衡电流的原理，来看看下面两个电路：图3均流互感器平

9、衡电流原理图图3(a)与图3(b)唯一的区别是加入一个全耦合均流互感器【9】。其余参数完全一样。其中，V1=100VACrR1=1zR2=2o对于图3(a),根据欧姆定律很容易计算出R1的电流为V1R1=1OOA,R2的电流为VR2=50Ao仿真电流曲线如图4所示。图4均衡电流前仿真曲线图3(b)中均流互感器的电感矩阵为：1x1p0.01-0.095Z21J-0.0950.01这是一种全耦合互感器，其自感和互感相差不大。由此建立数学模型如下式：1dtJ针对该数学模型仿真计算得到均流曲线如图5所示。图5均流互感器均流后仿真曲线稳态有效值分别为：IR1=67.5AfIr2=65.3A0可以发现，由

10、于均流互感器的作用，IR1IR2由电流严重不平衡（分别为IOOA、50A）变得相差不到2%。究其原因，是互感器改变了施加在Ri和R2两端的电压。调节后的稳态电压有效值分别为：Vri=67.5V,VR2=65.3Vo这种电压的调节，是互感器根据两个电阻电流的不同自动进行的。当电流不平衡量发生变化时，电压自动适应，不需要人工干预。例如，把R2改为1.5Q,仿真结果如图6所示。图6调整参数后仿真曲线此时，稳态有效值分别为：IR1=79.8A,Ir2=78.6Ao电流仍然得到了均衡。5均流互感器平衡双驱皮带机电机电流的仿真图7(a)和图7(b)中两个电机参数完全相同，电源和负载合成转矩也完全相同【10

11、】。注意,电机M2有一个速比为1:1.02的增速齿轮箱，故意使得Mi和M2运行速度不一样。图7(a)和图7(b)电路上的区别是后者的电源与电机之间有均流互感器。图7(a)双驱皮带机工况示意图图7(b)带均流互感器的双驱皮带机工况示意图图7(a)工况下仿真两个电机电流曲线如图8所示，两个电机电流有效值分别为7.5A和12.1A。图8双驱皮带机电机电流仿真曲线图图7(b)工况下仿真两个电机电流曲线如图9所示，两个电机电流有效值分别为9.9A和10.2A。图9双驱皮带机带均流互感器电机电流仿真曲线图从仿真分析可以看出，均流互感器对于双驱皮带机电机电流不平衡有很好的改善作用。6结论同步永磁耦合器因其具

12、有高效率、免维护、振动隔离效果好等特点在多种应用场合取得非常好的应用效果，又因其同步特性导致其在双驱及多驱皮带机上的应用收到较大的限制。本文通过理论分析和仿真研究相结合的方式，有力的论证了采用均流互感器均衡电机电流，可以有效地解决应用同步永磁耦合器的双驱皮带机电机均流问题。参考文献：1曲连坤，带式输送机驱动装置中不宜使用限矩型液力偶合器，通信电源技术,2016,(33)2牟红刚等，同步永磁耦合器动力学特性仿真研究J,机床与液压,2019,47(6):63683Bima1K.Bose著,王聪等译，现代电力电子学与交流传动，机械工业出版社，20131(7)4TheodoreWi1di著,潘再平等译，电机、拖动及电力系统,机械工业出版社，2015,(12)5陈红辉等，胶带输送机用限矩型液力耦合器应用研究，Baostee1BAC,2013(K-389)6闫向元，限矩型液力耦合器的研究与应用，科技情报开发与经济，2010(20)7白田红，基于故障分析的矿用带式输送机上限矩型液力耦合器的应用探讨，机械管理开发，2019.38韩东劲等，带式输送机差动液黏调速器多机功率平衡的研究，煤炭学报，2006.12(31.6)9李发海等，电机学，科学出版社，2001.110张立勋等，连续皮带机控制系统的设计及应用，隧道建设,2017.6(37.6)