雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)變頻控制研究

武恩光

(汾西礦業(yè)高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032300)

帶式輸送機(jī)是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中常用運(yùn)輸設(shè)備，隨著礦井生產(chǎn)能力的提升，大功率、長(zhǎng)距離的大型帶式輸送機(jī)在礦機(jī)中應(yīng)用逐漸廣泛[1～2]。大型帶式輸送通常采用雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是由于輸送機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)存在啟動(dòng)電流偏高、耗時(shí)長(zhǎng)、電機(jī)輸出功率不平衡等問(wèn)題，給輸送機(jī)正常使用帶來(lái)一定影響[3～5]。為了解決雙電機(jī)啟動(dòng)帶式輸送機(jī)使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，確保電機(jī)輸出功率、運(yùn)轉(zhuǎn)速度平衡，文中提出了一種組合式變頻控制系統(tǒng)，用以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，提升電機(jī)工作可靠性及穩(wěn)定性。

1 組合式變頻控制概述

組合式變頻控制方式是通過(guò)整流器將井下1140V交流電轉(zhuǎn)換成1600V直流電，為兩逆變器提供的電源?？刂破饕罁?jù)帶式輸送機(jī)預(yù)先給定的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法計(jì)算得出脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形。變頻控制系統(tǒng)通過(guò)PWM波來(lái)對(duì)輸出的電壓、頻率、電流等進(jìn)行分配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率進(jìn)行控制，確保兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的功率、運(yùn)轉(zhuǎn)速度平衡。

2 組合式變頻控制方法

采用組合式變頻控制最終目的是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率平衡，這就需要兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)的轉(zhuǎn)速(w1、w2)相同、工作時(shí)的轉(zhuǎn)矩(te1、te2)相同，具體組合式變頻工作時(shí)控制方法見(jiàn)圖1。

圖1 組合式變頻工作時(shí)控制方法

從圖中可以得出，采用的組合式變頻控制方法是對(duì)轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行優(yōu)化，從而使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以跟隨帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行閉環(huán)控制，從而可以確保兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速同步。組合變頻控制系統(tǒng)可以主動(dòng)分配電磁轉(zhuǎn)矩原因主要是主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)PI運(yùn)算會(huì)得到的總轉(zhuǎn)矩與帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)總負(fù)載轉(zhuǎn)矩一致，而總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為一已知定值，若主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低或者增加，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩降低或增加。

在實(shí)際控制使用中，主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速PI運(yùn)算獲取給定轉(zhuǎn)矩，隨后與電磁轉(zhuǎn)矩獲取到的轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行比對(duì)，若主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)獲取到的轉(zhuǎn)矩存在偏差，就主動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。如，當(dāng)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩間偏差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，就主動(dòng)增加從驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。通過(guò)采取該控制方式可以實(shí)現(xiàn)主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸送轉(zhuǎn)矩主動(dòng)調(diào)節(jié)，確保兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)輸出的扭矩差值在允許范圍內(nèi)，避免驅(qū)動(dòng)電機(jī)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致帶式輸送機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障。

3 仿真分析

采用Matlab軟件對(duì)組合控制方法以及傳統(tǒng)控制方法下的帶式輸送機(jī)雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制效果進(jìn)行比對(duì)。仿真模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，具體模擬的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行工況見(jiàn)表1、模擬仿真給定的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行條件見(jiàn)表2。模擬仿真時(shí)間為10.0s，系統(tǒng)每隔10-5s采樣一次。構(gòu)建的仿真模型見(jiàn)圖2。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行工況

表2 仿真驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)給定條件

圖2 仿真模型

具體仿真得到得到主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩分布圖見(jiàn)圖3。為了便于分析結(jié)果，將仿真得到主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度、電流以及轉(zhuǎn)矩提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體見(jiàn)表3。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形分布圖

表3 模擬仿真數(shù)據(jù)

從表3可以看看出，帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有不平穩(wěn)啟動(dòng)階段(0s～0.2s)、兩次加速階段(0.2s～0.6s、2.5s～3.6s間)、減速階段(7.5s～8.0s)平穩(wěn)運(yùn)行階段(0.6s～2.5s、3.6s～5.0s、5.0s～7.5s、8.0s～10.0s)。

在0～0.2s間的不穩(wěn)定啟動(dòng)階段內(nèi)，啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)初期的電流值較高，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩值均為0，在控制中增設(shè)限流環(huán)節(jié)，從而啟動(dòng)的粘劑的最大變電流值為600A；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0.2s～0.6s、2.5s～3.6s兩個(gè)空載器加速，在加速階段內(nèi)主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出的扭矩同步；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在7.5s～8.0s為減速階段，在此階段內(nèi)主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流、電壓及轉(zhuǎn)矩等均平衡；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在0.6s～2.5s、3.6s～5.0s階段為空載平穩(wěn)運(yùn)行期，在5.0s～7.5s、8.0s～10.0s階段為加載平穩(wěn)運(yùn)行期，在此階段內(nèi)主、從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩也平衡。

從仿真結(jié)果看出，無(wú)論帶式輸送機(jī)處于空載、加速、減速以及平穩(wěn)運(yùn)行等階段，采用組合式變頻控制方法均可以保證雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)間的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速平衡。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)、加速等階段時(shí)的啟動(dòng)電流、加速電流以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)均處于合理范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

將組合式變頻控制方案應(yīng)用到山西某礦1608運(yùn)輸巷輸送皮帶上，該皮帶輸送距離為2500m，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。為了便于工作人員對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)了一種可以直觀對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)，具體顯示界面見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面

采用的組合式變頻控制方案可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速平衡控制，降低輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)供電電網(wǎng)造成的沖擊，且可以在一定程度上提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

1)煤礦井下環(huán)境惡劣，長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)是最為常用的運(yùn)輸設(shè)備。文中提出一種雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要包括有一臺(tái)整流器、兩臺(tái)逆變器，該變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)占地面積小，對(duì)促進(jìn)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行有一定的促進(jìn)作用。文中研究主要得到以下結(jié)論：

2)模擬仿真得出組合變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以提升帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性，啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流值為600A，啟動(dòng)耗時(shí)1.5s，顯著低于常規(guī)的變頻控制方式；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)、加速、減速以及平穩(wěn)運(yùn)行等階段內(nèi)的出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等保持平衡。