重型刮板輸送機電機功率平衡控制技術(shù)研究

梁寶林，高大偉，李 軍

（1.霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山縣店坪煤礦，山西 呂梁033100；2.霍州煤電集團(tuán)安全監(jiān)察局，山西 臨汾031400）

引言

目前，重型刮板輸送機已普遍采用頭、尾雙變頻電機的驅(qū)動方式，機頭為主電機，機尾為從電機，基本可滿足重載、長距運輸需求，但由于設(shè)備鋪設(shè)長度、負(fù)載變化、鏈條張緊程度等因素影響，兩臺電機的功率分配可能出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，有的電機過載，還有的仍欠載，由此引起電機運行效率降低、驅(qū)動裝置異常磨損、電氣元件壽命縮短、電機故障停機等問題，因此，對重型刮板輸送機電機功率平衡控制技術(shù)進(jìn)行研究[1-3]。

1 功率不平衡原因分析

刮板輸送機的頭、尾電機通過刮板鏈進(jìn)行耦合，正常工況下，兩電機耦合狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)速相同，而設(shè)備機械特性和電機性能將對兩電機的功率平衡造成較大影響。

電機功率不平衡是指不能將負(fù)載功率按照各電機的額定承載能力進(jìn)行比例分配，從而引起電機負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，造成這一問題的原因總結(jié)為以下四個方面：

1）鏈條預(yù)張緊力不足，鏈條處于松弛狀態(tài)，導(dǎo)致機頭和機尾電機耦合程度降低，機頭電機在啟動初期負(fù)荷增大；

2）原煤在刮板刮板輸送機上分布不均勻，導(dǎo)致不同長度段的刮板鏈張緊程度不一致；

3）電機聯(lián)軸器在安裝過程中存在偏差，相同型號電機的輸出功率可能不同；

4）由于電機可控軟啟動裝置的內(nèi)摩擦力等機械特性不可避免存在差異，在兩電機輸出轉(zhuǎn)速相同時，其輸出轉(zhuǎn)矩也會出現(xiàn)明顯差異[4-6]。

2 電機功率平衡目標(biāo)

在多個驅(qū)動電機狀態(tài)下，理想的功率平衡目標(biāo)是按各電機的額定功率比例對總的機械負(fù)載功率進(jìn)行分配，且在狀態(tài)切換時保持穩(wěn)定，各電機出力均衡，互不強制。因此，對于雙電機驅(qū)動刮板輸送機，其功率平衡目標(biāo)關(guān)系式如下：

式中：Pi為序號i電機的分配輸出功率，kW；Pei為序號i電機的額定功率，kW；P為總的機械負(fù)載功率，kW。

另外，兩電機的功率分配還滿足以下關(guān)系：

式中：P1、P2分別為主、從電機的分配輸出功率，kW；T1、T2分別為主、從電機的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ω1、ω2為主、從電機的輸出轉(zhuǎn)速，r/s。

由于兩電機的輸出端通過刮板鏈連接，因此轉(zhuǎn)速相同。

結(jié)合式（1）（2）可得電機的輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系式：

式中：Ti為分配輸出轉(zhuǎn)矩值，N·m；Tei為各電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；T為總的外負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

理想狀態(tài)下，主、從電機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩的比值相等，而該比值K稱為雙電機系統(tǒng)的負(fù)載權(quán)重比，具體如下：

3 功率平衡控制系統(tǒng)模型

3.1 功率平衡控制方法

對于刮板輸送機功率平衡控制系統(tǒng)，其運行工況狀態(tài)相對穩(wěn)定，且輸出功率與輸出轉(zhuǎn)矩比值正相關(guān)，因此，可將對輸出功率的控制轉(zhuǎn)換為對輸出轉(zhuǎn)矩控制。如圖1所示，控制系統(tǒng)中存在兩個主、從控制回路，主回路的輸入信號為設(shè)定電機轉(zhuǎn)速ω*，轉(zhuǎn)速反饋信號為ωr，經(jīng)過比較計算，轉(zhuǎn)速差值信號Δω將輸入比例積分微分控制器（也稱PID調(diào)節(jié)器）中，并由此計算出相應(yīng)的主電機理想分配轉(zhuǎn)矩值T1*，然后再與實際轉(zhuǎn)矩輸出值T1進(jìn)行對比，對比值輸入轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器中，再經(jīng)后續(xù)逆變等電路處理，最終輸出主電機的三相電流值iL11、iL21、iL31。同時，由T1*可計算得到從電機理想分配轉(zhuǎn)矩值T2*（T2*=T1*/K），并最終計算輸出從電機的三相電流值iL12、iL22、iL32。上述過程動態(tài)進(jìn)行，周期性地對主、從電機的輸出轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1 雙電機功率平衡控制方法

3.2 模型控制方程

在本文第2節(jié)研究基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步利用仿真軟件對雙電機功率平衡控制系統(tǒng)的效果進(jìn)行分析，需分別求取圖1中不同控制模塊的控制函數(shù)方程。

以主回路為例，其PID調(diào)節(jié)器的控制函數(shù)如下：

式中：KP為控制器比例系數(shù)；KI為控制器積分系數(shù)；KD為控制器微分系數(shù)。

轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的控制函數(shù)：

式中：iT1為主電機的轉(zhuǎn)矩電流，A；ΔT1為主電機的轉(zhuǎn)矩偏差；Ψ1為主電機轉(zhuǎn)子磁鏈給定值，一般為常數(shù)；CIM1為主電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，CIM1=np1Lmd1/Lrd1，其中np1為主電機磁極對數(shù)，Lmd1為主電機定子和轉(zhuǎn)子的等效自感，Lrd1為主電機轉(zhuǎn)子繞組的等效自感，Lrd1=Lmd1+Lr1，其中Lr1為主電機轉(zhuǎn)子漏感。

另外，刮板輸送機傳動系統(tǒng)的整體動力學(xué)方程如下：

式中：T1、T2分別為頭、尾電機的輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；TL為作用在動力輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；J1、J2分別為頭、尾電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Jm為機械負(fù)載 產(chǎn) 生 的 轉(zhuǎn) 動 慣 量，kg·m2；ω為 電 機 轉(zhuǎn) 速，r/s，ω=ω1=ω2。

對式（7）進(jìn)行拉普拉斯變換可得：

式中，s為拉普拉斯算子。

根據(jù)以上模型函數(shù)，可得刮板輸送機雙電機功率平衡控制系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖2 雙電機功率平衡控制系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)仿真分析

在上述研究基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件中的Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，模型主要包括PID模塊、轉(zhuǎn)矩比例分配模塊、轉(zhuǎn)矩控制器模塊、信號逆變模塊、檢測模塊等。

仿真模型中，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速n=1 400 r/min（即角速度ω=2πn/60=146.6 rad/s），負(fù)載權(quán)重比K=1∶1，令系統(tǒng)在空載狀態(tài)下啟動，結(jié)果如圖3所示，兩電機克服系統(tǒng)慣性啟動后，在0.69 s時基本趨于穩(wěn)定，由于無外負(fù)載，因此輸出轉(zhuǎn)矩趨近零。然后，在1 s和2 s時，分別施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩74 N·m、118 N·m?？梢娭?、從電機均對負(fù)載變化進(jìn)行了快速響應(yīng)，且兩電機輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線基本一致，經(jīng)過負(fù)載均衡，兩者分配的功率基本相等，為相應(yīng)時刻輸入負(fù)載轉(zhuǎn)矩的一半，功率平衡效果良好。

圖3 主、從電機在負(fù)載權(quán)重比為1∶1時的輸出轉(zhuǎn)矩

在相同電機轉(zhuǎn)速下，更改負(fù)載權(quán)重比K=2∶1，即主電機的額定功率是從電機的2倍?？蛰d啟動，然后分別在1 s和2 s時，向系統(tǒng)施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩78 N·m、114 N·m，結(jié)果如圖4所示，可見1.4 s時，主、從電機輸送基本穩(wěn)定，分別為52 N·m、26 N·m，2.25 s時對應(yīng)數(shù)據(jù)分別為76 N·m、38 N·m，因此，該控制系統(tǒng)也可滿足不同功率雙電機的平衡需求。

圖4 主、從電機在負(fù)載權(quán)重比為2∶1時的輸出轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)論

重型刮板輸送機電機功率平衡控制方法對不同負(fù)載權(quán)重比均有良好的控制效果，響應(yīng)速度快，主、從電機的輸出轉(zhuǎn)矩可按設(shè)定要求均衡分配，功率平衡效果良好。