永磁直驅(qū)刮板輸送機(jī)功率平衡研究

＊王存國(guó)

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司賀西煤礦 山西 033300）

刮板輸送機(jī)是采掘作業(yè)面最為常用的運(yùn)輸設(shè)備，負(fù)責(zé)井下運(yùn)輸工作。隨著先進(jìn)的采掘設(shè)備推廣應(yīng)用，井下采面煤炭產(chǎn)量以及巷道掘進(jìn)速度均明顯提升，現(xiàn)場(chǎng)使用的刮板輸送機(jī)運(yùn)輸距離、裝機(jī)功率等均不斷增大，對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性等提出更高的要求[1-2]。刮板輸送機(jī)在使用期間負(fù)載波動(dòng)較大，重載運(yùn)行、啟停等較為普遍，容易導(dǎo)致機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)電流突變、功率不平衡問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)燒壞、刮板鏈破斷等事故[3-5]。確保刮板輸送機(jī)功率平衡，可提高其運(yùn)行平穩(wěn)性、減少故障發(fā)生率，為此眾多學(xué)者對(duì)刮板輸送機(jī)功率平衡問(wèn)題進(jìn)行研究，其中任世鵬[6]針對(duì)井下刮板輸送機(jī)運(yùn)行期間兩端電機(jī)一側(cè)輕載、一側(cè)重載問(wèn)題，提出對(duì)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用轉(zhuǎn)矩調(diào)速、張力法調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)功率平衡，模擬仿真結(jié)果顯示該功率平衡控制策略有效性較高；趙雪峰[7]針對(duì)采面刮板輸送機(jī)重載啟動(dòng)困難、整體運(yùn)行效率低下以及負(fù)載分配不均衡等問(wèn)題，構(gòu)建了一種永磁同步變頻一體機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，并給出變頻控制算法，模擬仿真及工程應(yīng)用均表明構(gòu)建的驅(qū)動(dòng)方式提升了刮板輸送機(jī)可靠性、實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)功率平衡；盛松梅[8]對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)均接受一臺(tái)型號(hào)S7-200型PLC控制，通過(guò)PLC內(nèi)置的啟動(dòng)及控制算法減少重載啟停、運(yùn)行等對(duì)刮板輸送機(jī)沖擊，確保機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流同步、實(shí)現(xiàn)功率平衡。上述研究成果為刮板輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制工作開(kāi)展提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。本文在結(jié)合前人研究成果技術(shù)上，提出通過(guò)監(jiān)測(cè)電流實(shí)現(xiàn)負(fù)載識(shí)別，并構(gòu)建刮板輸送機(jī)功率平衡控制方案，以期提升采掘作業(yè)面刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性。

1.刮板輸送機(jī)功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

山西某礦井下3506綜采工作面使用的永磁直驅(qū)刮板輸送機(jī)布置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與刮板輸送機(jī)鏈輪間直接連接，并通過(guò)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)刮板鏈移動(dòng)。機(jī)頭及機(jī)尾布置的3臺(tái)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)運(yùn)行，其中PMSM1及PMSM2間通過(guò)剛性連接并直接帶動(dòng)鏈輪A轉(zhuǎn)動(dòng)；PMSM3直接帶動(dòng)鏈輪B轉(zhuǎn)動(dòng)；鏈輪A及鏈輪B間通過(guò)刮板鏈、中部槽等連接。機(jī)頭的PMSM1、PMSM2電機(jī)以及機(jī)尾的PMSM3電機(jī)功率、基本參數(shù)等均相同。

圖1 刮板輸送機(jī)布置結(jié)構(gòu)

結(jié)合3506綜采工作面刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)情況，具體構(gòu)建的功率平衡控制系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2所示，機(jī)頭采用“一拖二”驅(qū)動(dòng)模式，即2臺(tái)電機(jī)連接至1臺(tái)變頻器，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)頭2臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行、調(diào)速控制；機(jī)尾采用“一拖一”驅(qū)動(dòng)模式，即1臺(tái)電機(jī)連接至1臺(tái)變頻器，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)尾1臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行、調(diào)速控制。機(jī)頭及機(jī)尾的變頻器是實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)功率平衡控制的關(guān)鍵設(shè)備，變頻器獲取的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)（如輸出電流、運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤代碼、母線電壓等）通過(guò)CANopen通信方式傳輸給PLC，PLC發(fā)出的指令（如運(yùn)行模式、控制指令等）同樣通過(guò)CANopen通信方式傳輸給變頻器。

圖2 功率平衡控制系統(tǒng)架構(gòu)

在保持電壓不變情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率與電流成正相關(guān)，研究刮板輸送機(jī)功率平衡即研究機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流平衡。當(dāng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，PLC控制器可依據(jù)刮板輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整變頻輸出電流頻率、電流值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以便機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)矩差在合理范圍內(nèi)，避免兩端頭電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載或者欠載情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)的功率平衡。

2.功率平衡控制設(shè)計(jì)

（1）功率平衡控制基本策略。由于刮板輸送機(jī)機(jī)頭的2部電機(jī)采用剛性連接，為此可等效為機(jī)頭電機(jī)，機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)機(jī)械特性相同，通過(guò)分別監(jiān)測(cè)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)電流i1、i2實(shí)現(xiàn)機(jī)頭及機(jī)尾負(fù)載變化監(jiān)測(cè)。具體刮板輸送機(jī)功率平衡控制基本策略見(jiàn)圖3所示，當(dāng)某時(shí)刻機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流i1/i2≠1時(shí)，表明此時(shí)間點(diǎn)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率不平衡。設(shè)定△i=i1-i2，當(dāng)△i＞0時(shí)則表示機(jī)頭電機(jī)電流大于機(jī)尾電機(jī)電流，電機(jī)功率不平衡且機(jī)頭出現(xiàn)過(guò)載情況，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速、提升機(jī)尾電機(jī)負(fù)載；當(dāng)△i＜0時(shí)則表示機(jī)頭電機(jī)電流小于機(jī)尾電機(jī)電流，電機(jī)功率不平衡且機(jī)尾出現(xiàn)過(guò)載情況，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速、提升機(jī)頭電機(jī)負(fù)載。依據(jù)監(jiān)測(cè)的機(jī)頭及機(jī)尾電流調(diào)整電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)間功率平衡，同時(shí)采用PID控制方式對(duì)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖3 功率平衡控制基本策略

（2）電機(jī)功率分配。在功率平衡控制中采用恒功率控制方式，即確保機(jī)頭以及機(jī)尾驅(qū)動(dòng)電機(jī)總功率不變，依據(jù)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)負(fù)載變化調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。機(jī)頭及機(jī)尾3臺(tái)電機(jī)的額定功率為：

式中，Pei為機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)的額定功率，kW；Tei為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m；ωei為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rad/s。由于刮板輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾布置的3臺(tái)電機(jī)機(jī)械特征及參數(shù)保持一致，因此3臺(tái)電機(jī)的額定功率相同，則機(jī)頭電機(jī)1、電機(jī)2與機(jī)尾電機(jī)3間功率分配比為1:1:1，機(jī)頭電機(jī)與機(jī)尾電機(jī)功率分配比為2:1。

（3）功率平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。依據(jù)刮板輸送機(jī)功率平衡控制策略、電機(jī)功率分配方案，其中電流i1、i2分別為機(jī)頭及機(jī)尾等效電機(jī)電流，該電流可直接表征各電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，通過(guò)比對(duì)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩比與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩比間偏差，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，確保電機(jī)功率差在允許范圍內(nèi)。當(dāng)△i（i1、i2間差值）在tmax時(shí)間內(nèi)大于0且△i＞5% i2時(shí)，則表明刮板輸送機(jī)機(jī)頭過(guò)載、機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)功率不平衡，此時(shí)提升機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速直至△i＜5% i2；當(dāng)△i（i1、i2間差值）在tmax時(shí)間內(nèi)小于0且△i＞5% i2時(shí)，則表明刮板輸送機(jī)機(jī)尾過(guò)載、機(jī)頭與機(jī)尾電機(jī)功率不平衡，此時(shí)提升機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速直至△i＜5% i2；當(dāng)△i＜5% i2時(shí)，則認(rèn)為機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，不需要進(jìn)行干預(yù)。

功率平衡控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器以及磁鏈調(diào)節(jié)器對(duì)給定值與監(jiān)測(cè)實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，后通過(guò)調(diào)節(jié)器輸出比對(duì)結(jié)果，采用施密特調(diào)節(jié)方法進(jìn)行調(diào)整控制，從而確保定子磁鏈幅值、觀測(cè)值間差值在控制允許范圍內(nèi)；磁聯(lián)觀測(cè)器與轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器均使用U-N模型，具備有精準(zhǔn)度高、控制性能好以及受負(fù)載影響小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速度變化區(qū)間內(nèi)定子磁鏈監(jiān)測(cè)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇單元依靠轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈調(diào)節(jié)器以及磁鏈位置檢測(cè)等參數(shù)確定電壓空間矢量信號(hào)，并發(fā)出開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)PWM逆變器控制。具體構(gòu)建的功率平衡系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

圖4 功率平衡系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu)

3.應(yīng)用效果分析

（1）模擬分析。構(gòu)建模擬模型分析、驗(yàn)證功率平衡系統(tǒng)應(yīng)用效果，機(jī)頭及機(jī)尾的PMSM1、PMSM2及PMSM3額定功率保持一致，定制電阻均為0.05Ω。在滿載情況下啟動(dòng)刮板輸送機(jī)并在穩(wěn)定運(yùn)行15s后開(kāi)啟功率平衡系統(tǒng)，具體仿真結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

從圖中看出，在開(kāi)啟功率平衡系統(tǒng)之前，機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率比為1.11（功率不平衡度為11%）、開(kāi)啟功率平衡系統(tǒng)后機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率比降至1.02（即功率不平衡度降至2%），此時(shí)機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)功率不平衡度在允許范圍內(nèi)，表明文中構(gòu)建的功率平衡系統(tǒng)在功率平衡控制精準(zhǔn)度以及效率方面效果較好。

（2）工程應(yīng)用效果。對(duì)3506綜采工作面刮板輸送機(jī)進(jìn)行改造，并收集改造前后電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體結(jié)正常運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流及功率不平衡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1、重載啟動(dòng)狀態(tài)下機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)電流及功率不平衡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表1 正常運(yùn)行機(jī)頭、機(jī)尾電流數(shù)據(jù)及功率不平衡度

表2 重載啟動(dòng)機(jī)頭、機(jī)尾電流數(shù)據(jù)及功率不平衡度

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)看出，在刮板輸送機(jī)應(yīng)用功率平衡控制方案后可實(shí)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)的功率控制；改造前刮板輸送機(jī)在空載、50%載荷以及滿載狀態(tài)下機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)功率不平衡度分別為3.7%、17.6%、27.5%，改造后功率不平衡度分別降至0.3%、3.4%、4.0%；改造前電機(jī)在啟動(dòng)初期1s、2s及3s內(nèi)機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)功率不平衡度分別為19.4%、7.9%、5.2%，改造后功率不平衡度別降至6.3%、1.6%、0.9%。改造后刮板輸送機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下以及重載啟動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)頭及機(jī)尾電機(jī)的功率不平衡度均明顯降低，取得較好應(yīng)用效果。

4.總結(jié)

刮板輸送機(jī)是井下主要運(yùn)輸設(shè)備，確保機(jī)頭以及機(jī)尾電機(jī)功率平衡對(duì)提升刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性有顯著促進(jìn)意義，同時(shí)可避免電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載、燒壞等情況。為此，文中以山西某礦井下3506綜采工作面刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求構(gòu)建以電流監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的功率平衡控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)及控制方式等進(jìn)行分析，最后通過(guò)數(shù)值模擬、工程應(yīng)用分析功率平衡系統(tǒng)應(yīng)用效果。結(jié)果表明，構(gòu)建的功率平衡系統(tǒng)可顯著降低多電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾在正常運(yùn)行、重載啟動(dòng)等狀態(tài)下的功率不平衡度，有助于提升刮板運(yùn)行效率及安全保障能力。