關(guān)于DTC80 型帶式輸送機(jī)多電機(jī)變頻器功率平衡的仿真分析

趙 征

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)南河煤礦，山西 高平 048400）

1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了提高帶式輸送機(jī)的工作效率，使其能滿足生產(chǎn)需要，研究人員不斷嘗試加寬輸送帶帶寬、提高設(shè)備運(yùn)行速度等方法，但對設(shè)備硬件的改造，對提升輸送機(jī)效率收效甚微。隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，使得帶式輸送機(jī)的效率得到了極大提高，尤其是中高壓超大容量變頻器的出現(xiàn)，使帶式輸送機(jī)逐步向高速、重載、精準(zhǔn)控制等方向發(fā)展[1]。

目前，帶式輸送機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)有了多樣化的發(fā)展，如異步電機(jī)配減速箱的直驅(qū)系統(tǒng)、液力偶合驅(qū)動系統(tǒng)、異步電動機(jī)配WES 軟驅(qū)動控制、變頻器驅(qū)動控制等。目前基于PLC 控制器的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗電網(wǎng)沖擊能力強(qiáng)，在大型的帶式輸送機(jī)上應(yīng)用較多。該驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動與軟停車，對設(shè)備起到了較好的保護(hù)作用，延長了設(shè)備的使用壽命[2]。

2 多電機(jī)驅(qū)動的功率平衡

隨著帶式輸送驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對控制系統(tǒng)的要求也逐漸提高，尤其是目前大型帶式輸送機(jī)均采用多臺電機(jī)同時驅(qū)動，多電機(jī)的協(xié)同控制對增加輸送機(jī)的運(yùn)量與長度具有重要作用。皮帶輸送機(jī)輸送帶具有較大的彈性，也可能存在不同電機(jī)差異、驅(qū)動滾筒不一致等都可能導(dǎo)致多電機(jī)驅(qū)動帶式輸送機(jī)驅(qū)動力不一致的情況，導(dǎo)致電機(jī)過載、電能浪費(fèi)，甚至可能出現(xiàn)有的電機(jī)過載導(dǎo)致設(shè)備燒毀。

帶式輸送機(jī)工作主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力傳遞載荷，對于皮帶而言摩擦力即是牽引力，但如果皮帶與滾筒之間產(chǎn)生滑動，摩擦力則可能減小。因此多電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)便需要控制電機(jī)的輸出功率，避免皮帶打滑。功率的平衡包括根據(jù)皮帶上負(fù)載調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出功率，保障皮帶對貨物的有效運(yùn)輸，同時避免皮帶打滑[3]。

3 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 變頻器工作原理

變頻器可分為交流變頻與直流變頻兩類，交流變頻器使用范圍較窄，在此不再贅述。直流變頻器的工作原理是利用整流設(shè)備，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流電則可通過改變電源的頻率實現(xiàn)對電機(jī)輸出功率的條件。

3.2 變頻驅(qū)動單元

帶式輸送在啟動或停車過程中對變頻控制器要求較高，根據(jù)項目需求選擇了德國西門子的矢量變頻控制器MMST-BJ 型變頻器，該變頻器驅(qū)動單元主要由10 kV 電網(wǎng)、斷路器、變壓器、變頻器等結(jié)構(gòu)組成。該型變頻器驅(qū)動系統(tǒng)采用了三電平、智能控制、矢量控制等技術(shù)，與之匹配的三向異步電機(jī)額定容量為5.2 MVA，設(shè)備的額定電壓是3.6 kV。該變頻驅(qū)動控制器具有啟動電流小、啟動時間可設(shè)定等特點，對于保護(hù)設(shè)備、減小機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的沖擊具有重要作用[4]。

3.3 驅(qū)動單元的主要設(shè)備

驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)中穩(wěn)流器選擇型號為9CSE80AA1，其電源額定電壓為2×3-ph1.2kV AC；變頻器整流器型號為SIMOV-ST，將兩個不可控橋式二極管分別連接到三相繞組的低壓電網(wǎng)上，從而形成一個穩(wěn)定可靠的12 脈沖低壓電源。逆變器由HS-IMJS 二極管、續(xù)流二級管和中點二級管構(gòu)成，利用二極管單相流動的特性，保障二極管上的電壓均勻分配。

4 Matlab 仿真模型

基于Matlab 建立帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動下的變頻器功率平衡分析模型，MATLAB 是由Math Works 公司研制開發(fā)一種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析計算軟件，具有較強(qiáng)的矩陣計算能力、圖像處理、分析高效，具有許多分析模塊，可靠的分析工具。Matlab 其中包含Simulink 分析模塊，該模塊具有較強(qiáng)的仿真分析能力，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)仿真分析的一個集成式的通用平臺，可根據(jù)需求搭建仿真模型。

根據(jù)DTC80 型帶式輸送機(jī)多電機(jī)變頻器原理構(gòu)建一個主回路，兩個從回路的仿真模型。回路采用閉環(huán)式矢量控制，外部控制器通過主回路、從回路按驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)動方程計算驅(qū)動電機(jī)的輸出值，主、從機(jī)轉(zhuǎn)矩計算模塊根據(jù)電動機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩方程計算而得，從而實現(xiàn)對不同驅(qū)動電機(jī)輸出功率的控制[5]。

5 仿真分析結(jié)果

5.1 帶式輸送機(jī)的啟動仿真

為了模擬帶式輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)啟動特征，選擇三臺驅(qū)動電機(jī)中的一臺進(jìn)行仿真分析，此時選擇具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的1 號驅(qū)動電機(jī)。仿真分析該電機(jī)在啟動過程中，傳輸皮帶的力學(xué)特征，在t=0 s時，設(shè)定帶式輸送機(jī)的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min，t=0.5 s 時，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為960 r/min，模擬分析帶式輸送機(jī)啟動動態(tài)仿真，圖1 為在模擬啟動過程中驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及速度隨時間波動變化情況[6]。

根據(jù)圖1 可知，帶式輸送機(jī)啟動實現(xiàn)了“S 形曲線”啟動，即在帶式輸送機(jī)啟動過程中只對速度進(jìn)行兩次設(shè)定即可實現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動，在實際應(yīng)用中帶式輸送機(jī)的軟啟動，既可降低對設(shè)備的沖擊，延長其使用壽命，又可以降低設(shè)備能耗，對提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

圖1 帶式輸送機(jī)啟動過程動態(tài)仿真曲線

5.2 帶式輸送機(jī)的功率平衡仿真

分析帶式輸送機(jī)不同驅(qū)動電機(jī)在輸送機(jī)不同狀態(tài)下的驅(qū)動電機(jī)之間協(xié)同關(guān)系，在此選擇分析帶式輸送機(jī)的主驅(qū)動電機(jī)和兩個從驅(qū)動電機(jī)在動態(tài)載荷作用下，三臺驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。在模型構(gòu)建時設(shè)置變頻器、電動機(jī)等設(shè)備的參數(shù)與實際系統(tǒng)保持一致。帶式輸送機(jī)在t=0 s，開始施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=400 N·m；t=1 s 時，將輸送機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為600 N·m。圖2 為三臺驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。

圖2 三臺驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化情況

根據(jù)帶式輸送機(jī)的功率平衡仿真分析結(jié)果，三臺驅(qū)動電機(jī)的輸出扭矩基本一致，無論是在剛啟動瞬間，還是中途增加輸送機(jī)負(fù)載扭矩的情況下，主動電機(jī)的輸出扭矩與從動電機(jī)的輸出扭矩基本維持在1∶1 左右，即可視為多電機(jī)驅(qū)動變頻器實現(xiàn)了良好的功率平衡問題，說明該變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)具有較好的調(diào)控能力。

根據(jù)DTC80 型帶式輸送機(jī)多電機(jī)變頻器結(jié)構(gòu)建立Matlab 動態(tài)仿真模型，分別對帶式輸送機(jī)啟動特性與對電機(jī)輸出功率平衡問題進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的緩啟動功能，同時對多電機(jī)的輸出功率控制具有很好的控制能力。

6 結(jié)論

帶式輸送機(jī)多電機(jī)之間的協(xié)同控制，有助于提高設(shè)備的工作效率、降低使用成本，因此對多電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究具有重要意義?；诂F(xiàn)有的DTC80 型多電機(jī)驅(qū)動的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Matlab 構(gòu)建其動態(tài)仿真分析模型，分析研究該型帶式輸送機(jī)的啟動特性與動態(tài)特性。仿真分析結(jié)果表明，該驅(qū)動控制系統(tǒng)可達(dá)到設(shè)計的驅(qū)動控制要求，驅(qū)動電機(jī)在變頻驅(qū)動控制器的控制下可實現(xiàn)S 形曲線啟動，即可緩啟動；同時根據(jù)驅(qū)動控制系統(tǒng)動態(tài)仿真分析可知，驅(qū)動控制系統(tǒng)對各電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制較好，對主、從驅(qū)動電機(jī)之間的輸出基本實現(xiàn)了1∶1。該仿真系統(tǒng)分析成功對研究驅(qū)動控制系統(tǒng)性能具有重要參考，對于提高帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要作用。