帶式輸送機雙電機CST驅(qū)動功率平衡因素研究

陳 艷，唐曉嘯，張 順，齊曉勇

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

在使用多電機共同驅(qū)動帶式輸送機時，主要存在的問題是多電機之間的功率輸出不平衡問題。以雙電機驅(qū)動為例，如果2臺電機在啟動時功率分配不均衡，其中1臺電動機會重載甚至過載運行，而另1臺則可能會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)情況。長期功率不平衡工作，會影響電動機和帶式輸送機的正常工作，甚至對設(shè)備造成破壞[1]。為此利用AMESim軟件對帶式輸送機雙電機CST驅(qū)動建立仿真模型，研究負載和電機延時啟動2方面因素對其雙電機啟動功率不平衡的影響，并建立了功率平衡調(diào)解方案，為帶式輸送機多電機驅(qū)動在實際工作中應(yīng)用提供參考和依據(jù)[2]。

1 帶式輸送機雙電機系統(tǒng)功率平衡

1.1 帶式輸送機雙電機驅(qū)動功率平衡的影響因素

使用多臺電機共同驅(qū)動帶式輸送機時，影響功率平衡的因素主要有：①每臺電動機有不同的機械特性；②輸送帶上負載分布變動引起的張力變化；③輸送機滾筒直徑的偏差、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臺電機通過CST驅(qū)動帶式輸送機時，一般選取相同廠家生產(chǎn)的相同型號和規(guī)格的電動機，在同樣的供電系統(tǒng)下，使電機的電壓、功率和效率一致。如果在理想條件下電動機的機械特性相同，電動機與CST的聯(lián)合輸出的機械特性也完全一致，啟動時就不會存在功率不平衡的現(xiàn)象。但在實際工作中由于環(huán)境等各方面因素，電動機的機械特性往往存在一定差異，電動機在聯(lián)合CST輸出的機械特性也會存在一定差異[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)合特性曲線也會存在一定的偏差，當帶式輸送機的2臺CST輸出轉(zhuǎn)速都為ng時，2臺CST的輸出轉(zhuǎn)矩：T1＞T2。若1號電機能按照預(yù)期功率正常輸出，則2號電機為欠載狀態(tài)；若2號電機按照預(yù)期功率正常輸出，則1號電機為超載狀態(tài)。顯然，負載不能在2臺驅(qū)動電機之間平衡分配。

1.2 功率平衡的調(diào)節(jié)方案

多電機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)計時，分別將頭部電動機、尾部電動機的電流信號i1、i2采集到功率PID控制器，由功率PID計算出頭尾部電動機電流信號的平均值與電流差△i ，即：

定義雙電機驅(qū)動下頭部電機和尾部電機功率不平衡度η為：

2 仿真結(jié)果分析

2.1 負載大小對雙電機功率平衡的影響

設(shè)定啟動時間為90 s，仿真時間為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、半負載和滿載3種情況對雙電機驅(qū)動功率平衡的影響，仿真結(jié)果如下。

1）空載。即在帶式輸送機啟動時，帶式輸送機上無負載。帶式輸送機在雙電機空載啟動時，頭部電動機與尾部電動機電流曲線基本重合（圖略），輸出功率基本相等。頭部和尾部的電機的CST輸出轉(zhuǎn)矩特性也基本一致（圖略）。因此，雙電機CST空載啟動時不存在功率不平衡現(xiàn)象。

2）半負載。即在啟動時，帶式輸送機上載荷為滿載的50%，模型假設(shè)在靠近帶式輸送機頭部的輸送帶上有負載。半負載時頭尾部電動機啟動電流和輸出轉(zhuǎn)矩如圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出，帶式輸送機的負載為滿載50%啟動時，頭部電動機的電流和尾部電動機的電流相差較大。頭部電動機的穩(wěn)定電流為125 A，而尾部電動機的穩(wěn)定電流為101 A，頭部電機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 CST的輸出轉(zhuǎn)矩明顯大于尾部電機CST的輸出轉(zhuǎn)矩，此時存在明顯的功率不平衡現(xiàn)象。

圖1 半負載時電動機電流

圖2 半負載時輸出轉(zhuǎn)矩特性

3）滿載。滿載時頭尾部電動機啟動電流和輸出轉(zhuǎn)矩如圖3和圖4。從圖3和圖4可以看出，帶式輸送機的負載為滿載啟動時，頭部電動機的穩(wěn)定電流為181 A，尾部電動機穩(wěn)定電流為132 A，頭部電動機穩(wěn)定電流和尾部電動機電流的差值比半負載啟動時大很多，功率不平衡度達到31.3%。滿載啟動時，頭尾部電動機輸出的功率不平衡差異更加明顯。

2.2 電機延時啟動對功率平衡的影響

負載的不同會影響帶式輸送機雙電機驅(qū)動的功率平衡，并且靠近負載的頭部電動機的功率輸出功率要高于尾部電動機。因此，可以考慮延時啟動對功率平衡的影響。延時啟動選擇帶式輸送機尾部電機先啟動，頭部電機延時啟動。

1）頭部電機延時2 s啟動。2 s啟動雙電機電流如圖5。從圖5可得，頭部電機CST延時2 s后啟動，頭部電動機穩(wěn)定電流從125 A下降到122 A，機尾電動機穩(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啟動的功率不平衡度相比，雙電機的功率不平衡現(xiàn)象有所改善。

圖3 滿載時電動機電流

圖4 滿載時輸出轉(zhuǎn)矩特性

圖5 2 s啟動電動機電流

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

圖6 5 s啟動電動機電流

3）頭部電機延時8 s啟動。8 s啟動雙電機電流如圖7。從圖7可得，頭部電機CST延時8 s后啟動，頭部電動機穩(wěn)定電流從125 A下降至108.6 A，而尾部電動機穩(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延時啟動曲線相比，尾部電機輸出功率反超出頭部電機功率，且頭部和尾部電動機功率不平衡現(xiàn)象明顯增加。

圖7 8 s啟動電動機電流

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)合的方法對功率PID進行參數(shù)整定，得出最優(yōu)的整定參數(shù)為：比例系數(shù) Kp＝1.5、積分時間常數(shù) TI＝1/3.5、微分時間常數(shù)TD＝0。設(shè)定啟動時間90 s，仿真時間100 s，打印間隔0.1 s，設(shè)置帶式輸送機的載荷為半負載，同時設(shè)置在60 s時開啟功率 PID調(diào)節(jié)，對模型進行仿真，得到的驅(qū)動電機曲線和轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖 8和圖 9[9]。

從圖8可以看出，帶式輸送機的載荷為半負載啟動時，頭部電動機的穩(wěn)定電流明顯比尾部的電動機的穩(wěn)定電流要大，因此頭部電動機的輸出功率要高于尾部電機的輸出功率，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經(jīng)過功率PID處理后輸出給壓力PID控制器，然后控制頭部電動機CST的伺服閥，使頭部電機CST的輸出轉(zhuǎn)矩下降，如圖9。由于帶式輸送機負載運行阻力矩是恒定的，所以帶式輸送機為保持恒轉(zhuǎn)矩運行，尾部電動機壓力PID處理器的控制信號輸出增加，使尾部電機CST輸出轉(zhuǎn)矩增大。在60 s時引入功率PID調(diào)節(jié)后，頭部電動機電流從125 A降為117.3 A，尾部電動機電流從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數(shù)5%，頭部電動機和尾部電動機的功率不平衡現(xiàn)象得到明顯改善[10]。

圖8 功率PID校正前后電動機電流

圖9 功率PID校正前后輸出轉(zhuǎn)矩特性

4 結(jié)語

1）隨著帶式輸送機負載的增加，頭部電機和尾部電機CST輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大，電動機的電流和輸出功率也都隨之增大，而頭部電動機功率輸出的增長要高于尾部電動機，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負載阻力的增加而增大，2個電機的功率不平衡現(xiàn)象也越來越明顯。

2）電機延時啟動可以改善雙電機驅(qū)動的功率不平衡現(xiàn)象。隨著頭部電機延時時間的增加，頭部電動機和尾部電動機的功率不平衡度先減小后增加。會有一段合理的延時啟動時間可以有效的改善帶式輸送機頭尾部電動機的功率不平衡現(xiàn)象。

3）加入功率PID控制器調(diào)節(jié)可以改善雙電機驅(qū)動下頭部電動機和尾部電動機的功率不平衡現(xiàn)象。