刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)功率平衡控制的優(yōu)化研究

王雙虎

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷提高，對(duì)刮板輸送機(jī)的輸送距離和煤炭運(yùn)量的要求愈發(fā)苛刻。由于輸送距離的增加和輸送負(fù)載的不斷變化，經(jīng)常導(dǎo)致刮板輸送機(jī)首尾處電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載失衡，電機(jī)功率過(guò)載的情況發(fā)生，在折損電機(jī)使用壽命的同時(shí)嚴(yán)重影響煤炭開(kāi)采挖掘效率。因此，本文從探索刮板輸送機(jī)首尾電機(jī)功率平衡點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其控制優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。

1 刮板輸送機(jī)負(fù)載相關(guān)參數(shù)的分析

1.1 負(fù)載阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)分析

在傳輸煤炭時(shí)產(chǎn)生的阻力是刮板輸送機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載來(lái)源，負(fù)載主要有以下四點(diǎn)：

1）重載運(yùn)行阻力，傳輸零部件以及煤炭等貨物的傳動(dòng)阻力；

2）空載運(yùn)行阻力，傳輸零部件空載轉(zhuǎn)回時(shí)的傳動(dòng)阻力；

3）刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇Γ?/p>

4）刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力；其中，重載運(yùn)行阻力與空載運(yùn)行阻力的大小由輸送機(jī)上煤炭負(fù)載的變化決定。

刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力，該部分阻力包括了鏈輪驅(qū)動(dòng)將輸送刮板彎曲而產(chǎn)生的力等，計(jì)算非常復(fù)雜，通常情況下按照重載運(yùn)行阻力和空載運(yùn)行阻力疊加后的10%來(lái)估算，這意味著彎曲阻力可以由負(fù)載變化來(lái)決定[1]。

刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇κ怯捎诠伟彐溳斔途嚯x過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致輸送板下?lián)隙a(chǎn)生的。在刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，水平彎曲力相較刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力幾乎相同。因此，可以將水平彎曲阻力也由負(fù)載而產(chǎn)生的運(yùn)行阻力來(lái)描述。

綜上所述得知：刮板輸送機(jī)上產(chǎn)生的阻力均可由輸送機(jī)上負(fù)載表示，輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的關(guān)系式如下：

式中：W為輸送機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的阻力之和，N；TL為正常工況下負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，N·m；T為輸送機(jī)兩側(cè)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；v為刮板鏈傳動(dòng)速度，m/s；ω為輸送機(jī)首尾電機(jī)額定角速度，rad/s；ηc為傳動(dòng)效率。式中可以看出，刮板輸送機(jī)兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與輸送機(jī)的阻力成正比，同時(shí)結(jié)合上述分析，刮板輸送機(jī)的阻力變化均由輸送負(fù)載決定，因此可以通過(guò)調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)應(yīng)對(duì)輸送機(jī)阻力的變化。

1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)聯(lián)分析

刮板輸送機(jī)一般選型為三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)該類型電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)特性曲線可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)差率會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢(shì)相同。由此可以確定，在兩端電機(jī)的功率有著穩(wěn)定的功率比時(shí)，刮板輸送機(jī)電機(jī)電流也會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢(shì)相同[2]。

綜合上述分析可以得出，刮板輸送機(jī)上采煤負(fù)載阻力的變化情況可以由觀察刮板輸送機(jī)首尾兩端的電動(dòng)機(jī)的電流變化來(lái)判定。

2 首尾電機(jī)功率平衡控制原理

刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是由三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)組成，設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)的電機(jī)功率為正常工況下滿負(fù)荷輸送煤炭量的120%，且通常選用防爆型電機(jī)，兩臺(tái)在刮板輸送機(jī)機(jī)頭，一臺(tái)在機(jī)尾。

功率平衡控制系統(tǒng)的原理是：通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電流的變化進(jìn)而判斷輸送機(jī)負(fù)載阻力的變化，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)功率匹配不斷變化的負(fù)載，控制刮板輸送機(jī)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，預(yù)防電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象[3]。

刮板輸送機(jī)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一致的，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，將刮板輸送機(jī)機(jī)頭部分的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)等效成一臺(tái)，其功率和額定轉(zhuǎn)矩是原電機(jī)的兩倍。

通過(guò)比較首尾處等效電動(dòng)機(jī)的電流大小，判斷刮板輸送機(jī)各個(gè)電機(jī)的負(fù)載情況，機(jī)首的電動(dòng)機(jī)電流為i1，通過(guò)機(jī)尾的電動(dòng)機(jī)電流為i2，i1-i2=△i。若△i=0時(shí)，說(shuō)明各處的電動(dòng)機(jī)功率平衡，刮板輸送機(jī)的負(fù)載在正常區(qū)間；若△i＞0且△i電流與i2電流的比值大于1∶20時(shí)，即i2電流占比高于均值5%以上?？梢耘卸C(jī)首處電機(jī)存在過(guò)載；由于轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率成正比，可增加機(jī)首處電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大對(duì)機(jī)首電機(jī)鏈輪的拖動(dòng)力，從而平衡過(guò)載；當(dāng)△i＜0且△i電流與i1電流的比值大于1∶20時(shí)，即i1電流占比高于均值5%以上?？梢耘卸C(jī)尾處電機(jī)存在過(guò)載。由于轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率成正比，可增加機(jī)尾處電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大對(duì)機(jī)尾電機(jī)鏈輪的拖動(dòng)力，從而平衡過(guò)載[4-5]。具體控制原理如圖1所示。

圖1 功率平衡控制原理圖

3 首尾電動(dòng)機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述平衡控制方案，針對(duì)常規(guī)刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)了一套平衡控制系統(tǒng)，如圖2所示。平衡控制系統(tǒng)有3部分組成：CAN總線傳輸刮板輸送機(jī)電機(jī)數(shù)據(jù)；煤礦專用變頻器轉(zhuǎn)化電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；PLC控制器控制判斷電機(jī)功率平衡。

由于輸送機(jī)首尾電機(jī)距離過(guò)遠(yuǎn)，常規(guī)線路連接可能會(huì)出現(xiàn)傳輸偏差或延遲，為保證通訊速率，系統(tǒng)采用CAN線與輸送機(jī)首尾電機(jī)相連[6]，用于實(shí)時(shí)傳輸刮板輸送機(jī)電機(jī)電流數(shù)據(jù)。PLC編程控制器具備接收電流信號(hào)的接口，在收到首尾電機(jī)的電流數(shù)據(jù)后，通過(guò)功率平衡控制程序判斷處理，傳輸給變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)；變頻器具備能夠直接調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的功能，通過(guò)CAN總線分別控制調(diào)整刮板輸送機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

圖2 功率平衡控制系統(tǒng)組成

4 仿真分析

利用LMS AMEsim軟件模擬建立刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)，模擬某刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)，該輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為180 A，機(jī)尾電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為160 A。根據(jù)已知的電機(jī)分布情況，兩臺(tái)在刮板輸送機(jī)機(jī)頭，一臺(tái)在機(jī)尾。通過(guò)第1.1節(jié)分析可知，刮板輸送機(jī)頭、尾部分電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩比例為9∶4。該刮板輸送機(jī)電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速如圖3所示，仿真分析檢測(cè)平衡控制系統(tǒng)。

圖3 機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖3中可知，在未進(jìn)行平衡控制前，電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩比例并不平衡，機(jī)頭處電機(jī)轉(zhuǎn)速較機(jī)尾處電機(jī)偏低的原因是機(jī)頭的負(fù)載較大。隨著平衡策略控制調(diào)整，使得刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)速提升并在3 s時(shí)趨于穩(wěn)定；機(jī)尾的電機(jī)轉(zhuǎn)速在平衡策略控制調(diào)整后，機(jī)尾的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，最后低于機(jī)頭部分電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，分擔(dān)了負(fù)載阻力。

圖4為刮板輸送機(jī)機(jī)尾部分驅(qū)動(dòng)側(cè)鏈輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化圖，從圖中可以看出，機(jī)尾部分驅(qū)動(dòng)鏈輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化與機(jī)尾轉(zhuǎn)速變化成反向趨勢(shì)，這說(shuō)明了平衡控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變了負(fù)載不平衡的狀況。

圖4 機(jī)尾驅(qū)動(dòng)鏈輪負(fù)載轉(zhuǎn)矩

下頁(yè)圖5為刮板輸送機(jī)機(jī)頭與機(jī)尾部分鏈輪嚙合點(diǎn)和分離點(diǎn)張力變化圖，圖中可以看出：隨著平衡控制系統(tǒng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速后，機(jī)頭機(jī)尾部分的張力存在波動(dòng)，波動(dòng)幅值趨于穩(wěn)定。說(shuō)明平衡控制策略對(duì)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較?。粰C(jī)頭部分鏈輪嚙合點(diǎn)張力下降，機(jī)尾部分鏈輪嚙合點(diǎn)張力上升。在計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，頭、尾部電動(dòng)機(jī)的功率在調(diào)整后處于平衡狀態(tài)。

圖5 鏈條特殊點(diǎn)張力

5 結(jié)論

1）刮板輸送機(jī)首尾電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是否存在過(guò)載可根據(jù)首尾電動(dòng)機(jī)電流的大小來(lái)判斷。當(dāng)過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生，PI控制器發(fā)送調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的信號(hào)到平衡控制系統(tǒng)中的礦用變頻器，改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；利用電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2）設(shè)計(jì)的平衡控制系統(tǒng)通過(guò)LMS AMEsim軟件模擬電動(dòng)機(jī)過(guò)載情況，平衡控制系統(tǒng)在判定過(guò)載后進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。首尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，機(jī)尾處電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩升高，證明功率平衡系統(tǒng)有效地分擔(dān)了過(guò)載電動(dòng)機(jī)的負(fù)載；通過(guò)觀察鏈條特殊點(diǎn)張力情況，發(fā)現(xiàn)該功率平衡控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)載后，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。