帶式輸送機(jī)雙電機(jī)CST驅(qū)動(dòng)功率平衡因素研究

陳 艷，唐曉嘯，張 順，齊曉勇

（西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

在使用多電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)時(shí)，主要存在的問(wèn)題是多電機(jī)之間的功率輸出不平衡問(wèn)題。以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，如果2臺(tái)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)功率分配不均衡，其中1臺(tái)電動(dòng)機(jī)會(huì)重載甚至過(guò)載運(yùn)行，而另1臺(tái)則可能會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)情況。長(zhǎng)期功率不平衡工作，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)和帶式輸送機(jī)的正常工作，甚至對(duì)設(shè)備造成破壞[1]。為此利用AMESim軟件對(duì)帶式輸送機(jī)雙電機(jī)CST驅(qū)動(dòng)建立仿真模型，研究負(fù)載和電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)2方面因素對(duì)其雙電機(jī)啟動(dòng)功率不平衡的影響，并建立了功率平衡調(diào)解方案，為帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)在實(shí)際工作中應(yīng)用提供參考和依據(jù)[2]。

1 帶式輸送機(jī)雙電機(jī)系統(tǒng)功率平衡

1.1 帶式輸送機(jī)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的影響因素

使用多臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)時(shí)，影響功率平衡的因素主要有：①每臺(tái)電動(dòng)機(jī)有不同的機(jī)械特性；②輸送帶上負(fù)載分布變動(dòng)引起的張力變化；③輸送機(jī)滾筒直徑的偏差、輸送帶黏彈性變形以及設(shè)備安裝等其它誤差[3]。

在使用2臺(tái)電機(jī)通過(guò)CST驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)時(shí)，一般選取相同廠家生產(chǎn)的相同型號(hào)和規(guī)格的電動(dòng)機(jī)，在同樣的供電系統(tǒng)下，使電機(jī)的電壓、功率和效率一致。如果在理想條件下電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相同，電動(dòng)機(jī)與CST的聯(lián)合輸出的機(jī)械特性也完全一致，啟動(dòng)時(shí)就不會(huì)存在功率不平衡的現(xiàn)象。但在實(shí)際工作中由于環(huán)境等各方面因素，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性往往存在一定差異，電動(dòng)機(jī)在聯(lián)合CST輸出的機(jī)械特性也會(huì)存在一定差異[4]。CST的輸出轉(zhuǎn)矩特性可以用CST的輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系來(lái)表示[5]，即：T＝f（n），T 為輸出轉(zhuǎn)矩，n 為輸出軸轉(zhuǎn)速。

由于不同因素和條件的影響，同樣的壓力控制條件下聯(lián)合特性曲線也會(huì)存在一定的偏差，當(dāng)帶式輸送機(jī)的2臺(tái)CST輸出轉(zhuǎn)速都為ng時(shí)，2臺(tái)CST的輸出轉(zhuǎn)矩：T1＞T2。若1號(hào)電機(jī)能按照預(yù)期功率正常輸出，則2號(hào)電機(jī)為欠載狀態(tài)；若2號(hào)電機(jī)按照預(yù)期功率正常輸出，則1號(hào)電機(jī)為超載狀態(tài)。顯然，負(fù)載不能在2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間平衡分配。

1.2 功率平衡的調(diào)節(jié)方案

多電機(jī)功率平衡方法有電流控制法、轉(zhuǎn)矩控制法和電流－轉(zhuǎn)速控制法3種。最常用的功率平衡方法是電流控制法[6]。

在功率平衡控制設(shè)計(jì)時(shí)，分別將頭部電動(dòng)機(jī)、尾部電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)i1、i2采集到功率PID控制器，由功率PID計(jì)算出頭尾部電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)的平均值與電流差△i ，即：

定義雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下頭部電機(jī)和尾部電機(jī)功率不平衡度η為：

2 仿真結(jié)果分析

2.1 負(fù)載大小對(duì)雙電機(jī)功率平衡的影響

設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間為90 s，仿真時(shí)間為100 s，打印間隔0.1 s。先不加入功率PID調(diào)節(jié)，分別研究空載、半負(fù)載和滿載3種情況對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡的影響，仿真結(jié)果如下。

1）空載。即在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，帶式輸送機(jī)上無(wú)負(fù)載。帶式輸送機(jī)在雙電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，頭部電動(dòng)機(jī)與尾部電動(dòng)機(jī)電流曲線基本重合（圖略），輸出功率基本相等。頭部和尾部的電機(jī)的CST輸出轉(zhuǎn)矩特性也基本一致（圖略）。因此，雙電機(jī)CST空載啟動(dòng)時(shí)不存在功率不平衡現(xiàn)象。

2）半負(fù)載。即在啟動(dòng)時(shí)，帶式輸送機(jī)上載荷為滿載的50%，模型假設(shè)在靠近帶式輸送機(jī)頭部的輸送帶上有負(fù)載。半負(fù)載時(shí)頭尾部電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流和輸出轉(zhuǎn)矩如圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出，帶式輸送機(jī)的負(fù)載為滿載50%啟動(dòng)時(shí)，頭部電動(dòng)機(jī)的電流和尾部電動(dòng)機(jī)的電流相差較大。頭部電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定電流為125 A，而尾部電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定電流為101 A，頭部電機(jī)的電流比尾部電流高出許多，功率不平衡度為21.2%，頭部電機(jī) CST的輸出轉(zhuǎn)矩明顯大于尾部電機(jī)CST的輸出轉(zhuǎn)矩，此時(shí)存在明顯的功率不平衡現(xiàn)象。

圖1 半負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)電流

圖2 半負(fù)載時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩特性

3）滿載。滿載時(shí)頭尾部電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流和輸出轉(zhuǎn)矩如圖3和圖4。從圖3和圖4可以看出，帶式輸送機(jī)的負(fù)載為滿載啟動(dòng)時(shí)，頭部電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定電流為181 A，尾部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流為132 A，頭部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流和尾部電動(dòng)機(jī)電流的差值比半負(fù)載啟動(dòng)時(shí)大很多，功率不平衡度達(dá)到31.3%。滿載啟動(dòng)時(shí)，頭尾部電動(dòng)機(jī)輸出的功率不平衡差異更加明顯。

2.2 電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)對(duì)功率平衡的影響

負(fù)載的不同會(huì)影響帶式輸送機(jī)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率平衡，并且靠近負(fù)載的頭部電動(dòng)機(jī)的功率輸出功率要高于尾部電動(dòng)機(jī)。因此，可以考慮延時(shí)啟動(dòng)對(duì)功率平衡的影響。延時(shí)啟動(dòng)選擇帶式輸送機(jī)尾部電機(jī)先啟動(dòng)，頭部電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)。

1）頭部電機(jī)延時(shí)2 s啟動(dòng)。2 s啟動(dòng)雙電機(jī)電流如圖5。從圖5可得，頭部電機(jī)CST延時(shí)2 s后啟動(dòng)，頭部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從125 A下降到122 A，機(jī)尾電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從101 A增大到103 A，功率不平衡度為16.7%，與之前頭部尾部同時(shí)啟動(dòng)的功率不平衡度相比，雙電機(jī)的功率不平衡現(xiàn)象有所改善。

圖3 滿載時(shí)電動(dòng)機(jī)電流

圖4 滿載時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩特性

圖5 2 s啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流

2）頭部電機(jī)延時(shí)5 s啟動(dòng)。5 s啟動(dòng)雙電機(jī)和電流如圖6。從圖6可得，頭部電機(jī) CST延時(shí)5 s后啟動(dòng)，頭部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從125 A下降到117 A，尾部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從101 A增大至112 A，功率不平衡度為4.3%＜5%，與頭部和尾部電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)相比，頭尾部電動(dòng)機(jī)功率不平衡現(xiàn)象得到大幅改善。

圖6 5 s啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流

3）頭部電機(jī)延時(shí)8 s啟動(dòng)。8 s啟動(dòng)雙電機(jī)電流如圖7。從圖7可得，頭部電機(jī)CST延時(shí)8 s后啟動(dòng)，頭部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從125 A下降至108.6 A，而尾部電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定電流從101 A增大至120.8 A，功率不平衡度為－10.6%＜－5%，與5 s延時(shí)啟動(dòng)曲線相比，尾部電機(jī)輸出功率反超出頭部電機(jī)功率，且頭部和尾部電動(dòng)機(jī)功率不平衡現(xiàn)象明顯增加。

圖7 8 s啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流

3 功率PID平衡控制

根據(jù)功率平衡控制原理，加入功率PID校正環(huán)節(jié)[8]。采用臨界比例梯度法和湊試法相結(jié)合的方法對(duì)功率PID進(jìn)行參數(shù)整定，得出最優(yōu)的整定參數(shù)為：比例系數(shù) Kp＝1.5、積分時(shí)間常數(shù) TI＝1/3.5、微分時(shí)間常數(shù)TD＝0。設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間90 s，仿真時(shí)間100 s，打印間隔0.1 s，設(shè)置帶式輸送機(jī)的載荷為半負(fù)載，同時(shí)設(shè)置在60 s時(shí)開(kāi)啟功率 PID調(diào)節(jié)，對(duì)模型進(jìn)行仿真，得到的驅(qū)動(dòng)電機(jī)曲線和轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖 8和圖 9[9]。

從圖8可以看出，帶式輸送機(jī)的載荷為半負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，頭部電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定電流明顯比尾部的電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定電流要大，因此頭部電動(dòng)機(jī)的輸出功率要高于尾部電機(jī)的輸出功率，功率不平衡明顯。加入功率PID調(diào)節(jié)校正后，傳感器所采集的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)功率PID處理后輸出給壓力PID控制器，然后控制頭部電動(dòng)機(jī)CST的伺服閥，使頭部電機(jī)CST的輸出轉(zhuǎn)矩下降，如圖9。由于帶式輸送機(jī)負(fù)載運(yùn)行阻力矩是恒定的，所以帶式輸送機(jī)為保持恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，尾部電動(dòng)機(jī)壓力PID處理器的控制信號(hào)輸出增加，使尾部電機(jī)CST輸出轉(zhuǎn)矩增大。在60 s時(shí)引入功率PID調(diào)節(jié)后，頭部電動(dòng)機(jī)電流從125 A降為117.3 A，尾部電動(dòng)機(jī)電流從101 A增大到112.8 A，功率不平衡度為3.9%小于設(shè)定的功率平衡閾值百分?jǐn)?shù)5%，頭部電動(dòng)機(jī)和尾部電動(dòng)機(jī)的功率不平衡現(xiàn)象得到明顯改善[10]。

圖8 功率PID校正前后電動(dòng)機(jī)電流

圖9 功率PID校正前后輸出轉(zhuǎn)矩特性

4 結(jié)語(yǔ)

1）隨著帶式輸送機(jī)負(fù)載的增加，頭部電機(jī)和尾部電機(jī)CST輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大，電動(dòng)機(jī)的電流和輸出功率也都隨之增大，而頭部電動(dòng)機(jī)功率輸出的增長(zhǎng)要高于尾部電動(dòng)機(jī)，因此出現(xiàn)明顯的功率不平衡現(xiàn)象。且功率差值隨著啟動(dòng)負(fù)載阻力的增加而增大，2個(gè)電機(jī)的功率不平衡現(xiàn)象也越來(lái)越明顯。

2）電機(jī)延時(shí)啟動(dòng)可以改善雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率不平衡現(xiàn)象。隨著頭部電機(jī)延時(shí)時(shí)間的增加，頭部電動(dòng)機(jī)和尾部電動(dòng)機(jī)的功率不平衡度先減小后增加。會(huì)有一段合理的延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間可以有效的改善帶式輸送機(jī)頭尾部電動(dòng)機(jī)的功率不平衡現(xiàn)象。

3）加入功率PID控制器調(diào)節(jié)可以改善雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)下頭部電動(dòng)機(jī)和尾部電動(dòng)機(jī)的功率不平衡現(xiàn)象。