皮帶多電機驅動中的功率自動平衡研究

孫志剛

（西山煤電（集團）公司 屯蘭礦，山西 古交 030206）

西山煤電（集團）公司屯蘭礦12407工作面皮帶運輸距離長達2000m，皮帶安裝完工后，由于運輸距離長，皮帶負載分布不均勻，3臺電機輸出功率不平衡，導致頻繁出現(xiàn)1臺電機故障不啟動，在初采初放過程中，皮帶運輸一直不正常，而由2臺電機驅動，運輸過程中經(jīng)常過載停機，嚴重影響皮帶的正常運輸，從而導致工作面不能完成既定的產(chǎn)量計劃。為了解決皮帶運輸過程中電機不啟動問題，該礦通過分析3臺電機啟動及運行中的功率及啟動電流，最終發(fā)現(xiàn)皮帶頭2#電機的啟動功率要遠遠大于其他2臺電機，并且3臺電機的運行功率差異較大，存在較大的不平衡性，經(jīng)常出現(xiàn)2#電機不啟動。為此需要解決3臺電機運行中的功率自動平衡問題。

1 12407工作面皮帶的布置形式

屯蘭礦12407工作面走向2029m，由于2#、3#煤合采，平均采高4.5m，開采煤量全部由1條距離2000m的皮帶運輸，皮帶帶寬1.2m，采用可伸縮膠帶機。皮帶頭位于12407皮帶巷口，與南四集中膠帶搭接。皮帶機尾位于1993m處，與橋式轉載機搭接。皮帶分別由3臺315kW 電機驅動。其中皮帶頭布置2臺電機，斜切眼位于皮帶巷1130處，設置中驅動，布置1臺電機，3臺電機都由皮帶頭集中控制。3臺電機分別由3臺變頻器驅動，實現(xiàn)同步功率輸出。12407皮帶布置示意圖見圖1.

圖1 12407皮帶布置示意圖

2 功率自動平衡在皮帶電機驅動過程中的實現(xiàn)

2.1 電機不啟動的原因分析

在皮帶開啟后，經(jīng)常出現(xiàn)皮帶打滑，皮帶壓死等故障。經(jīng)過系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)在皮帶啟動后，皮帶頭2#電機經(jīng)常自動停機，皮帶運輸單靠1#、3#電機驅動。由于皮帶上煤量大，電機負荷過大，導致電機過載，有時候皮帶打滑，無法正常開啟。經(jīng)過仔細對3臺電機啟動及運行過程的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)2#電機的啟動電流要遠遠大于1#和3#電機，導致2#電機一啟動便出現(xiàn)過載停機。因此，要保證皮帶平穩(wěn)啟動、運行，必須保證3臺電機的啟動電流、運行功率相互平衡，為此，有必要研究3臺電機驅動中的功率自動平衡問題。

2.2 功率自動平衡功能的實現(xiàn)

12407運輸皮帶的3臺電機分別由3臺變頻器驅動，保證了皮帶從啟動到正常運行實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，避免啟動電流過大帶來的沖擊負荷。變頻器的特點是通過改變頻率的大小，調整電機的輸出電流、功率、轉速等。為了實現(xiàn)3臺電機啟動及運行過程功率平衡，采用了先進的PLC控制3臺變頻器。PLC選用西門子公司的S7-200，通過S7-200通訊接口與變頻器通訊接口連接，執(zhí)行相應的通訊協(xié)議，進行遠程控制3臺變頻器的啟動頻率，從而控制3臺電機的運轉。

2.2.1 利用PLC實現(xiàn)對變頻器的控制

PLC的優(yōu)點是能夠對皮帶巷的3臺變頻器實現(xiàn)集中控制，通過選擇最優(yōu)算法，對3臺變頻器的啟動電流及頻率進行在線監(jiān)測，通過監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)，進行比較，在此設置允許誤差。假設1#電機啟動電流為I1，2#電機的啟動電流為I2，3#電機啟動電流為I3.當（I1-I2）／I2≥10%時，PLC自動調低I1，當（I1-I2）／I2≤-10%時，PLC自動調低I2；同樣當（I2-I3）／I3≥10%時，PLC自動調低I2，當（I2-I3）／I3≤-10%時，PLC自動調低I3；當（I1-I3）／I3≥10%時，PLC自動調低I1，當（I1-I3）／I3≤-10%時，PLC自動調低I3.總之，PLC讀取來自變頻器的3臺電機啟動電流，三者之間兩兩相互比較，允許誤差為10%，PLC始終循環(huán)掃描，將監(jiān)測的電流值進行比較，始終在3個電流值中將較大的電流調節(jié)至10%的誤差范圍之內，保證3臺電機啟動時不會出現(xiàn)因某臺電機啟動電流過大而過載的現(xiàn)象。

2.2.2 利用PID實現(xiàn)變頻調速和平衡功率控制

PID控制器在當前多點電機驅動領域應用很廣泛，其主要功能就是利用閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)對多個電機的功率平衡控制。通常PLC都能實現(xiàn)PID控制功能，同時變頻器本身也自帶PID控制功能。12407皮帶巷利用PLC優(yōu)化了3臺電機的啟動電流，保證3臺電機啟動電流誤差控制在±10%之內，其主要通過啟動電流比較，將啟動電流偏大值進行微調。但由于皮帶運輸距離長，皮帶運輸負荷大等特點，啟動電流過小，啟動功率就小，會導致電機無法啟動，皮帶不能正常開啟。因此，采用先進的PID控制算法，既要實現(xiàn)3臺電機都平穩(wěn)啟動，又要實現(xiàn)3臺電機啟動后功率平衡，保證皮帶開啟后平穩(wěn)啟動直至平穩(wěn)運行。PID控制算法設計，見圖2.

圖2 PID控制圖

以3臺電機電流的平均值的差值作為調節(jié)功率平衡的一個條件，取平均值減少誤差。電流差值的絕對值在一個范圍的時候是調節(jié)的條件。一般額定電流的10%或更小。以一個可以調節(jié)時間的脈沖，在自己設定的時間內，一般10s.當出現(xiàn)功率不平衡時，此時間設定能讓改動后的頻率達到改動值，時間不能太短或者太長，否則導致功率調過。時間根據(jù)實際情況變動。頻率給定一次調節(jié)的大小，自己設定，功率平衡功能是在變頻加速后自動開啟，如果有某臺變頻采回的電流是由于電流模塊故障而出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常的時候，有相應的轉換開關把功率平衡功能切斷實現(xiàn)應急啟車。通過現(xiàn)場情況的跟蹤，該皮帶運行狀況良好，3臺電機之間的電流差值為2～3A.

3 結 論

12407皮帶驅動采用了先進的PLC集中控制3臺變頻器，運用先進的PID算法控制3臺變頻器的輸出頻率，最終保證將3臺變頻器的輸出頻率誤差減少至最小。通過功率自動平衡調節(jié)后，徹底解決了之前2#電機不啟動的故障，保證在皮帶開啟后，3臺電機都平穩(wěn)啟動，平穩(wěn)運行。皮帶運行平穩(wěn)，工作面設備開機率得到保障。在初采初放時，皮帶經(jīng)常過載，圓班產(chǎn)量僅為3刀煤。經(jīng)過調整設計，目前圓班產(chǎn)量6刀煤，保證了計劃產(chǎn)量的按時完成。滿足了工作面設計要求，提高了生產(chǎn)效益。最重要的是對長距離皮帶運輸中經(jīng)常出現(xiàn)的電機輸出功率不平衡問題探索出一條切實可行的解決方案。

［1］ 孫志剛，張翠平.帶式輸送機的輸送帶保護與故障診斷［J］.煤礦機械，2011（3）：242-244.

［2］ 周明源.功率平衡變頻器在東海煤礦皮帶機的應用［J］.中國科技投資，2014（A11）：258-258.

［3］ 歐陽名三.皮帶系統(tǒng)雙電機軟啟動及功率平衡的模糊控制器的研制［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2000（6）：49-51.

［4］ 蘇州匯川技術有限公司.匯川技術HD92高壓變頻器在皮帶機多電機功率平衡上的應用［J］.變頻器世界，2014（3）：78-80.