選煤廠刮板輸送機(jī)功率平衡控制及仿真分析

王建偉

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

刮板輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦、選煤廠等場(chǎng)合。在煤礦生產(chǎn)中，其與液壓支架、采煤機(jī)稱為綜采工作面的“三機(jī)”，在選煤廠其為主要運(yùn)輸設(shè)備。隨著選煤廠生產(chǎn)能力的提升，刮板輸送機(jī)從單電機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸變?yōu)槎嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中由于其負(fù)荷處于動(dòng)態(tài)變化的情況，易導(dǎo)致其運(yùn)行電流過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)；除此之外，刮板輸送機(jī)的各個(gè)電機(jī)功率不平衡不僅會(huì)對(duì)設(shè)備電機(jī)造成損傷，而且會(huì)導(dǎo)致刮板鏈斷裂[1]。本文重點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)的功率平衡進(jìn)行控制，并對(duì)控制效果進(jìn)行仿真分析。

1 刮板輸送機(jī)電機(jī)的變頻控制

刮板輸送機(jī)電機(jī)屬于三相異步電動(dòng)機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中由于運(yùn)輸負(fù)荷的增加導(dǎo)致電機(jī)的耗能增加、電流值增加。同時(shí)，由于選煤廠運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣在實(shí)際生產(chǎn)中存在頻繁啟動(dòng)的情況，在重載情況下啟動(dòng)極易對(duì)刮板輸送機(jī)電機(jī)及相關(guān)機(jī)械部件造成沖擊，從而影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸效率。軟啟動(dòng)控制為區(qū)別于刮板輸送機(jī)傳統(tǒng)的控制方式，其能夠?qū)﹄姍C(jī)及相關(guān)機(jī)械部件進(jìn)行保護(hù)，而且還具有節(jié)約電能的效果。但是，簡(jiǎn)單的軟啟動(dòng)方式無(wú)法解決多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)電機(jī)功率不平衡的問(wèn)題[2]。因此，擬通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的功率平衡控制。

1.1 變頻調(diào)速原理

對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)而言，在實(shí)際生產(chǎn)中由于設(shè)備的負(fù)載處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)以及刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化等均會(huì)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)電機(jī)功率出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)電機(jī)功率不平衡的主要因素為負(fù)載變化。所謂變頻調(diào)速指的是，通過(guò)變頻器對(duì)刮板輸送機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。具體如式（1）所示：

式中：n0為刮板輸送機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f1為刮板輸送機(jī)電機(jī)的頻率；p為刮板輸送機(jī)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

可適用于刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速控制的方式包括有V/F控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制。V/F控制本身的精度不高，無(wú)法保證其適用于刮板輸送機(jī)的控制；矢量控制方式無(wú)法根絕外部信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精準(zhǔn)控制；直接轉(zhuǎn)矩控制方式可應(yīng)用于重載啟動(dòng)設(shè)備、負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的設(shè)備，且其控制精度也可控制在2%左右。因此，選用直接轉(zhuǎn)矩控制方式對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制基本是可行的[3]。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制方式應(yīng)用于刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速的可行性驗(yàn)證

本節(jié)基于AMESim建立直接轉(zhuǎn)矩控制的刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證刮板輸送機(jī)變頻調(diào)速控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制的可行性和控制效果。所建立的基于直接轉(zhuǎn)矩控制模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制模型

根據(jù)刮板輸送機(jī)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)圖1中的對(duì)應(yīng)子項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)刮板輸送機(jī)電機(jī)定子磁鏈的軌跡和電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析，設(shè)定仿真結(jié)果5 s，所得的仿真結(jié)論如下頁(yè)圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

如下頁(yè)圖2所示，基于直接轉(zhuǎn)矩控制下刮板輸送機(jī)電機(jī)的定子磁鏈軌跡接近為圓形，說(shuō)明直接轉(zhuǎn)矩控制方式能夠有效對(duì)其定子磁鏈的軌跡進(jìn)行控制，具有較好的控制效果；同時(shí)，基于直接轉(zhuǎn)矩控制方式電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 s內(nèi)平穩(wěn)上升至其額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

綜上，直接轉(zhuǎn)矩控制方式對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制效果良好，適用性較高[4]。

2 刮板輸送機(jī)電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

2.1 刮板輸送機(jī)電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提升選煤廠的生產(chǎn)能力，勢(shì)必需要提升刮板輸送機(jī)的運(yùn)量，傳統(tǒng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式無(wú)法滿足大運(yùn)量的運(yùn)輸要求。對(duì)于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)而言，由于負(fù)載變化頻繁且運(yùn)輸距離較長(zhǎng)出現(xiàn)功率不平衡問(wèn)題；當(dāng)刮板輸送機(jī)功率不平衡問(wèn)題嚴(yán)重時(shí)極易導(dǎo)致出現(xiàn)刮板鏈斷裂的事故，最終影響整個(gè)運(yùn)輸效果。所謂刮板輸送機(jī)功率平衡控制指的是基于有效的控制策略將刮板輸送機(jī)各個(gè)電機(jī)功率的差值控制在合理范圍之內(nèi)，避免其中某一個(gè)或多個(gè)電機(jī)過(guò)載或者欠載的情況出現(xiàn)。

基于直接轉(zhuǎn)矩控制的刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)

如圖3所示，刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻器、CAN總線等組成。鑒于刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，為避免長(zhǎng)距離運(yùn)輸所導(dǎo)致的干擾問(wèn)題，本項(xiàng)目采用CAN通信總線實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

在實(shí)際控制中，功率平衡控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾處的負(fù)荷進(jìn)行檢測(cè)從而反映電機(jī)的電子電流，若出現(xiàn)差異明顯的情況，則根據(jù)兩電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比和理論范圍之內(nèi)的偏移量分別對(duì)機(jī)頭和機(jī)尾的電機(jī)頻率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的，保證兩電機(jī)的功率差值處于理論范圍之內(nèi)。

2.2 刮板輸送機(jī)電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本文所研究刮板輸送機(jī)為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，兩電機(jī)分別位于機(jī)頭和機(jī)尾兩個(gè)位置。在設(shè)計(jì)初期，設(shè)定機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)的功率分配比為2∶1。本文對(duì)刮板輸送機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的功率不平衡嚴(yán)重的工況下對(duì)功率平衡控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)測(cè)量可知，刮板輸送機(jī)功率不平衡工況下對(duì)應(yīng)機(jī)頭電機(jī)的電流值為360 A，機(jī)尾電機(jī)的電流值為160 A；說(shuō)明此時(shí)刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾部分的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩比為9∶4，與設(shè)定的2∶1存在一定的差距。此時(shí)，刮板輸送機(jī)機(jī)頭電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值為20.4 N·m，對(duì)應(yīng)機(jī)尾電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為9.08 N·m。通過(guò)功率平衡控制方式對(duì)機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制后，得出如圖4所示的仿真結(jié)論。

圖4 機(jī)尾負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化

如圖4所示，在1 s時(shí)刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)介入對(duì)應(yīng)機(jī)尾負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬間增大并在3 s后逐漸趨于穩(wěn)定，并保持在10.3 N·m左右。此時(shí)，機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)的功率分配比接近2∶1，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的功率平衡控制系統(tǒng)有效。

3 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)是選煤廠的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，隨著選煤廠生產(chǎn)能力的增加，對(duì)應(yīng)刮板輸送機(jī)的運(yùn)量也必須增加，因此傳統(tǒng)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)而言，負(fù)載變化經(jīng)常導(dǎo)致雙電機(jī)的功率不平衡，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致刮板鏈斷裂。為解決此問(wèn)題，本文基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻器、PLC控制器和CAN總線完成功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并經(jīng)仿真分析得知：所設(shè)計(jì)功率平衡控制系統(tǒng)能夠在電機(jī)出現(xiàn)功率不平衡問(wèn)題工況下實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)的功率平衡控制。