大功率帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)仿真

【摘要】針對煤礦井下膠帶輸送機(jī)須具備大運(yùn)力、高效、可靠的技術(shù)特性，解決輸送機(jī)運(yùn)力不夠的制約因素，采用配套高電壓等級、功率在750KW左右的大功率隔爆殼體式防爆驅(qū)動(dòng)裝置（防爆變頻器或防爆軟啟動(dòng)器），提升煤礦井下膠帶輸送機(jī)運(yùn)力。

【關(guān)鍵詞】帶式輸送機(jī)；防爆；變頻

煤礦井下膠帶輸送機(jī)是煤礦生產(chǎn)諸環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備之一，為滿足煤礦可持續(xù)性發(fā)展需要，高效集約化生產(chǎn)已成為趨勢，作為煤礦生產(chǎn)重要設(shè)備的煤礦井下膠帶輸送機(jī)須具備大運(yùn)力、高效、可靠的技術(shù)特性。目前國內(nèi)煤礦井下大功率膠帶輸送機(jī)大多采用直接啟動(dòng)，對機(jī)械設(shè)備以及電網(wǎng)沖擊較大，不能調(diào)速，難以滿足現(xiàn)場使用要求；部分采用CST和調(diào)速型液力耦合器啟動(dòng)和調(diào)速，基本能滿足軟啟動(dòng)的要求，但工作可靠性、調(diào)速性能、功率平衡性能、速度同步性能等均不理想，且體積重量大，安裝調(diào)試不便，維護(hù)費(fèi)用高。而防爆變頻器和防爆軟啟動(dòng)器在膠帶輸送機(jī)的運(yùn)用，較好解決了上述存在的問題。

1.帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制特性分析

1.1 帶式輸送機(jī)起動(dòng)特性

帶式輸送機(jī)是由閉環(huán)的承載輸送帶和托輥及驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、改向滾筒及其機(jī)架構(gòu)成的系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)裝置起動(dòng)后，通過滾筒與輸送帶的磨擦作用將驅(qū)動(dòng)力傳遞給輸送帶。由于輸送帶的運(yùn)動(dòng)需要克服各種運(yùn)行阻力，且輸送帶為粘彈性體，盡管在起動(dòng)過程中可以控制驅(qū)動(dòng)裝置的起動(dòng)速度（加速度），但并不能將運(yùn)動(dòng)直接傳遞到整個(gè)輸送帶上，而是在輸送帶的粘彈性性質(zhì)和阻力作用下，逐漸地將驅(qū)動(dòng)力和速度傳播到整個(gè)輸送帶上。因此大型帶式輸送機(jī)必須有足夠的起動(dòng)時(shí)間，使起動(dòng)加速度保持在允許范圍內(nèi)。

1.2 加速度控制曲線的選取

理想的可控起動(dòng)速度曲線，是帶式輸送機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，且整個(gè)起動(dòng)過程中加速度的最大值較小，速度輸出平穩(wěn)，無速度突變，以最大限度地減小起動(dòng)的慣性力和起動(dòng)沖擊作用。據(jù)相關(guān)資料與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，用“S”形曲線可以達(dá)到良好的效果。以同樣的時(shí)間起動(dòng)電機(jī)（軟起動(dòng)），“S”形曲線比直線平穩(wěn)得多，振動(dòng)、噪聲亦小。變頻傳動(dòng)裝置是按照控制器給定的速度與加速度曲線，控制電機(jī)速度，使輸送機(jī)的速度曲線變成平滑的“S”形來減小帶式輸送機(jī)的起動(dòng)沖擊。

1.3 帶式輸送機(jī)牽引力分配與功率平衡

大功率帶式輸送機(jī)通常采用多滾筒多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這就存在負(fù)載功率在各個(gè)滾筒之間的平衡問題。分配不合理，會引起某電機(jī)過載，影響電機(jī)的使用壽命。輸送帶在正常運(yùn)行過程中，各點(diǎn)的速度近似相等，因此負(fù)載功率的分配相當(dāng)于牽引力的分配。

1.3.1 牽引力的實(shí)際分配

圖1-1 雙滾筒驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)線路示意圖

1.3.2 多滾筒傳動(dòng)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行的特征

多滾筒傳動(dòng)帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行的特征是：任一驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶問沒有宏觀相對滑移，即輸送帶和傳動(dòng)滾筒至少有一點(diǎn)兩者的速度相等。據(jù)此可以求出兩驅(qū)動(dòng)裝置提供的牽引力及其分配比。通過數(shù)學(xué)公式推算，影響牽引力配比的因素如下：

（1）各電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

（2）各機(jī)械傳送裝置的傳動(dòng)比和效率。

（3）輸送帶的拉伸剛度。

（4）各驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑：驅(qū)動(dòng)滾筒的直徑存在誤差，主要是由于長期磨損和粘性物料粘附在滾筒表面，導(dǎo)致滾筒實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)直徑增大。

（5）驅(qū)動(dòng)滾筒之間的阻力：主要決定于驅(qū)動(dòng)滾筒的位置。

（6）總阻力W0。

（7）電動(dòng)機(jī)的供電頻率f。

對于具體的帶式輸送機(jī)，以上（1）～（5）因素都已確定，（6）是由運(yùn)量等因素決定，因此牽引力的調(diào)節(jié)只能靠調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的供電頻率來實(shí)現(xiàn)。同理，對于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率。

2.帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)裝置硬件設(shè)計(jì)與軟件仿真

變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路整流器為不控整流橋，逆變器為由功率器件IGBT搭建的三相H橋，不控制整流二極管和IGBT選型時(shí)要留出足夠大的耐壓、耐流余量，冗余一般取為2～3倍。變流器的保護(hù)電路由兩部分組成：整個(gè)主電路的過壓過流保護(hù)；功率器件IGBT的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、吸收電路。

2.1 6×750KVA調(diào)速裝置仿真

異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)需要進(jìn)行電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓和頻率兩種獨(dú)立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也使一個(gè)獨(dú)立的輸出變量。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)只有一個(gè)三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時(shí)進(jìn)行的，為獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，必須對磁通施加控制，使它在動(dòng)態(tài)過程中盡量保持恒定。電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應(yīng)電動(dòng)勢，由于它們都是同時(shí)變化的，在數(shù)學(xué)模型中就含有兩個(gè)變量的成句，這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學(xué)模型也是非線性的。因此，異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。

2.2 異步電機(jī)矢量控制仿真結(jié)果

在psim仿真環(huán)境下驗(yàn)證了異步電機(jī)矢量控制策略，控制系統(tǒng)框圖搭建仿真模型，考察了兩種不同速度指令下空載以及在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電機(jī)響應(yīng)特性，其相應(yīng)的電機(jī)響應(yīng)結(jié)果如圖2.1所示。

圖2.1 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真框圖

仿真條件：電機(jī)參數(shù)如表1所示，速度給定信號如圖2.2中N_ref所示，電機(jī)加速過程為0.42秒，最大速度為500rmp，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為4500N.m，變頻器直流母線電壓為2200V；PWM調(diào)制采用雙極性SPWM調(diào)制；仿真結(jié)果如圖2.2所示。

表1 異步電機(jī)模型參數(shù)

圖2.2 仿真結(jié)果圖

在psim軟件，負(fù)載選為4500N.m的橫轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如果不加任何控制，該負(fù)載模型會拖動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，這是和真實(shí)情況不同的地方，通過仿真曲線可知，矢量控制在重載啟動(dòng)下，調(diào)速性能良好。

圖2.3 仿真曲線圖

由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，并且在仿真軟件中電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，因此矢量控制在啟動(dòng)時(shí)提供了很大的校正參考電流，導(dǎo)致啟動(dòng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩在起始階段都比較大。

圖2.4

通過變流器輸出線電壓可知，雙極性PWM調(diào)制在0.2秒至0.5秒得過程中出現(xiàn)了過調(diào)制，增大了電流諧波，導(dǎo)致電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩特性在這個(gè)過程中出現(xiàn)波動(dòng)，現(xiàn)實(shí)工況中一般會在自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)定較長的加速時(shí)間和足夠大的PWM調(diào)制比，并對矢量控制模型各變量設(shè)定最佳限幅。

3.結(jié)語

當(dāng)前及今后較長時(shí)期建設(shè)的礦井設(shè)計(jì)能力都很大，對煤礦井下大功率帶式輸送機(jī)的需求很大，也就是說對大功率防爆驅(qū)動(dòng)裝置（防爆變頻器或防爆軟啟動(dòng)器）的需求很大。開發(fā)低成本、高性能的煤礦井下大功率膠帶輸送機(jī)防爆驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)品具有非常重要的意義。

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作者簡介：趙波（1983—），男，陜西戶縣人，現(xiàn)供職于陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，主要從事礦井自動(dòng)化工作。