帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制的研究

劉景泰

（陽(yáng)煤集團(tuán)五礦， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)是一種依靠驅(qū)動(dòng)滾筒帶動(dòng)輸送機(jī)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤礦大型運(yùn)輸設(shè)備。隨著輸送機(jī)不斷向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速方向發(fā)展，現(xiàn)有的恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)控制方案逐漸暴露出了控制穩(wěn)定性差、速度調(diào)節(jié)滯后、啟動(dòng)運(yùn)行沖擊大的缺陷，已經(jīng)無(wú)法滿足帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行需求[1]，因此本文分析一種新的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻驅(qū)動(dòng)控制方案

由于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高帶速的帶式輸送機(jī)通常采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，因此對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)控制的前提是實(shí)現(xiàn)各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡，避免在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中因功率輸出不均而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此結(jié)合雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制特點(diǎn)和帶式輸送機(jī)的運(yùn)行控制要求，本文所提出的基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻驅(qū)動(dòng)控制方案主要是在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上加入了變頻控制裝置，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輸送機(jī)的定轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行的閉環(huán)控制，從而保證了輸送機(jī)在各種工況下啟動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，該基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1 所示[2]。

圖1 基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

在該控制系統(tǒng)中采用了閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的模式，首先從動(dòng)電機(jī)根據(jù)輸送帶的運(yùn)行速度，經(jīng)過(guò)變換和磁鏈觀測(cè)器的運(yùn)行分析后輸出估算的定轉(zhuǎn)矩，然后將其與系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行一個(gè)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償調(diào)節(jié)，最終輸出實(shí)際的控制轉(zhuǎn)矩。同樣的，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)同樣是根據(jù)帶式輸送機(jī)輸送帶運(yùn)行速度的變化和磁鏈觀測(cè)器的運(yùn)行分析，然后輸出估算的定轉(zhuǎn)矩，將運(yùn)算轉(zhuǎn)矩和實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩相減，獲得一個(gè)控制補(bǔ)償信號(hào)，最終輸出控制轉(zhuǎn)矩。該控制系統(tǒng)中的核心控制點(diǎn)在于輸送機(jī)在任一工況下所輸出的總轉(zhuǎn)矩和總負(fù)載相關(guān)聯(lián)，任意時(shí)刻兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之和為定值，因此通過(guò)轉(zhuǎn)矩關(guān)聯(lián)控制的方式實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)變化，但由于在系統(tǒng)中增加了由變頻控制器控制的磁鏈觀測(cè)器，因此能夠滿足兩個(gè)電機(jī)在各種轉(zhuǎn)矩變化情況下的輸出功率的穩(wěn)定性，確保了輸送機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的功率平衡，避免了功率不平衡驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的振動(dòng)波動(dòng)大、穩(wěn)定性差的缺陷。

2 變頻控制電路原理

由于煤礦井下空間狹小而且工作環(huán)境較為復(fù)雜，因此若采用傳統(tǒng)的分散式的變頻驅(qū)動(dòng)控制方案會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生故障的難題，因此本文結(jié)合井下實(shí)際工況和對(duì)輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制需求，提出了一種采用PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行集成控制的方案，以PLC 控制系統(tǒng)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警，一旦出現(xiàn)問(wèn)題能夠第一時(shí)間對(duì)故障原因進(jìn)行判斷，便于維修人員能夠在第一時(shí)間解決異常，確保輸送機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。同時(shí)該集成控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸送機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特性實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，滿足控制系統(tǒng)對(duì)輸送機(jī)穩(wěn)定、平穩(wěn)的控制需求，提升輸送機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析信號(hào)能夠直接傳輸?shù)阶冾l控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻控制器直接對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，滿足了各種工況下的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速。該輸送機(jī)變頻控制電路的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[3]。

圖2 帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)電路原理圖

3 變頻控制系統(tǒng)的直接掛網(wǎng)方案

傳統(tǒng)煤礦井下供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中為了避免過(guò)大的電流沖擊通常需要設(shè)置專用的變壓器，用于對(duì)供電電流進(jìn)行的濾波及變壓控制，滿足對(duì)供電系統(tǒng)穩(wěn)定供電的需求，但由于該控制系統(tǒng)采用了基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制方案，在系統(tǒng)中設(shè)置有變頻器及磁鏈觀測(cè)器，設(shè)置變壓器后將不利于對(duì)系統(tǒng)調(diào)整電流的監(jiān)測(cè)和控制，因此本文提出了一種新的變頻控制系統(tǒng)的直接掛網(wǎng)控制方案，在變頻控制系統(tǒng)采用了拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)及有源前端設(shè)計(jì)方案，能夠有效地降低供電網(wǎng)絡(luò)的側(cè)諧波[4]，同時(shí)能夠滿足對(duì)供電電流的功率因數(shù)的矯正和控制能量的再生，具有調(diào)試速度快、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，該直接掛網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 直接掛網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

1）該控制系統(tǒng)采用了閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的模式，在系統(tǒng)中增加了由變頻控制器控制的磁鏈觀測(cè)器，能夠滿足兩個(gè)電機(jī)在各種轉(zhuǎn)矩變化情況下輸出功率的穩(wěn)定性，避免了功率不平衡驅(qū)動(dòng)所帶來(lái)的振動(dòng)波動(dòng)大、穩(wěn)定性差的缺陷。

2）變頻驅(qū)動(dòng)控制電路采用了以PLC 控制系統(tǒng)為核心的集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分析信號(hào)能夠直接傳輸?shù)阶冾l控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻控制器直接對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)了各種工況下的無(wú)級(jí)變頻調(diào)速。

3）變頻控制系統(tǒng)的直接掛網(wǎng)方案，能夠滿足對(duì)供電電流的功率因數(shù)的矯正和控制能量的再生，降低對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊，具有調(diào)試速度快、穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。