刮板輸送機電動機功率平衡控制優化
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摘要：以如何平衡控制刮板輸送機首尾電動機功率為研究對象，闡述了刮板輸送機負載轉矩、電流與電動機的關聯性，分析了首尾電機功率平衡的控制原理，在建立平衡控制系統后，利用LMSAMEsim軟件對建立的刮板輸送機控制系統進行模擬仿真。通過仿真得知，進行功率平衡控制優化的刮板輸送機電動機系統有較好的穩定性，為類似研究提供借鑒。
關鍵詞：刮板輸送機；功率平衡；LMSAMEsim；控制系統；仿真
引言
隨著煤炭開采技術的不斷提高，對刮板輸送機的輸送距離和煤炭運量的要求愈發苛刻。由于輸送距離的增加和輸送負載的不斷變化，經常導致刮板輸送機首尾處電機出現過載失衡，電機功率過載的情況發生，在折損電機使用壽命的同時嚴重影響煤炭開采挖掘效率。因此，本文從探索刮板輸送機首尾電機功率平衡點出發，對其控制優化進行了深入研究。
1刮板輸送機負載相關參數的分析
1.1負載阻力與電機轉矩的關聯分析
在傳輸煤炭時產生的阻力是刮板輸送機電機驅動的負載來源，負載主要有以下四點：1）重載運行阻力，傳輸零部件以及煤炭等貨物的傳動阻力；2）空載運行阻力，傳輸零部件空載轉回時的傳動阻力；3）刮板鏈下撓形成的彎曲阻力；4）刮板鏈繞過驅動鏈輪所產生的彎曲阻力；其中，重載運行阻力與空載運行阻力的大小由輸送機上煤炭負載的變化決定。刮板鏈繞過驅動鏈輪所產生的彎曲阻力，該部分阻力包括了鏈輪驅動將輸送刮板彎曲而產生的力等，計算非常復雜，通常情況下按照重載運行阻力和空載運行阻力疊加后的10%來估算，這意味著彎曲阻力可以由負載變化來決定[1]。刮板鏈下撓形成的彎曲阻力是由于刮板鏈輸送距離過長而導致輸送板下撓而產生的。在刮板輸送機工作狀態時，水平彎曲力相較刮板鏈繞過驅動鏈輪所產生的彎曲阻力幾乎相同。因此，可以將水平彎曲阻力也由負載而產生的運行阻力來描述。綜上所述得知：刮板輸送機上產生的阻力均可由輸送機上負載表示，輸送機電動機的電磁轉矩與負載的關系式如下：式中：W為輸送機工作時產生的阻力之和，N；TL為正常工況下負載的轉矩，N•m；T為輸送機兩側電機的電磁轉矩，N•m；v為刮板鏈傳動速度，m/s；ω為輸送機首尾電機額定角速度，rad/s；ηc為傳動效率。式中可以看出，刮板輸送機兩側電動機的電磁轉矩與輸送機的阻力成正比，同時結合上述分析，刮板輸送機的阻力變化均由輸送負載決定，因此可以通過調整電磁轉矩來應對輸送機阻力的變化。1.2電機轉矩與電流的關聯分析刮板輸送機一般選型為三相異步電動機，根據該類型電動機的電動特性曲線可以看出，當電動機處于正常工作狀態下，電機轉差率會隨著電動機轉矩的變化而變化且趨勢相同。由此可以確定，在兩端電機的功率有著穩定的功率比時，刮板輸送機電機電流也會隨著電動機轉矩的變化而變化且趨勢相同[2]。綜合上述分析可以得出，刮板輸送機上采煤負載阻力的變化情況可以由觀察刮板輸送機首尾兩端的電動機的電流變化來判定。
2首尾電機功率平衡控制原理
刮板輸送機的驅動主要是由三臺三相異步電動機組成，設計的刮板輸送機的電機功率為正常工況下滿負荷輸送煤炭量的120%，且通常選用防爆型電機，兩臺在刮板輸送機機頭，一臺在機尾。功率平衡控制系統的原理是：通過檢測電機電流的變化進而判斷輸送機負載阻力的變化，進而改變電動機的轉速，使電機功率匹配不斷變化的負載，控制刮板輸送機三臺電動機的電磁轉矩，預防電機出現過載現象[3]。刮板輸送機三臺電動機的機械特性是一致的，為簡化設計計算，將刮板輸送機機頭部分的兩臺電動機等效成一臺，其功率和額定轉矩是原電機的兩倍。通過比較首尾處等效電動機的電流大小，判斷刮板輸送機各個電機的負載情況，機首的電動機電流為i1，通過機尾的電動機電流為i2，i1-i2=△i。若△i=0時，說明各處的電動機功率平衡，刮板輸送機的負載在正常區間；若△i>0且△i電流與i2電流的比值大于1∶20時，即i2電流占比高于均值5%以上。可以判定機首處電機存在過載；由于轉速和電機功率成正比，可增加機首處電機轉速，加大對機首電機鏈輪的拖動力，從而平衡過載；當△i<0且△i電流與i1電流的比值大于1∶20時，即i1電流占比高于均值5%以上。可以判定機尾處電機存在過載。由于轉速和電機功率成正比，可增加機尾處電機轉速，加大對機尾電機鏈輪的拖動力，從而平衡過載[4-5]。具體控制原理如圖1所示。
3首尾電動機功率平衡控制系統的建立
根據上述平衡控制方案，針對常規刮板輸送機設計了一套平衡控制系統，如圖2所示。平衡控制系統有3部分組成：CAN總線傳輸刮板輸送機電機數據；煤礦專用變頻器轉化電機電流、轉速數據；PLC控制器控制判斷電機功率平衡。由于輸送機首尾電機距離過遠，常規線路連接可能會出現傳輸偏差或延遲，為保證通訊速率，系統采用CAN線與輸送機首尾電機相連[6]，用于實時傳輸刮板輸送機電機電流數據。PLC編程控制器具備接收電流信號的接口，在收到首尾電機的電流數據后，通過功率平衡控制程序判斷處理，傳輸給變頻器調整電機轉速的信號；變頻器具備能夠直接調整電磁轉矩的功能，通過CAN總線分別控制調整刮板輸送機頭、機尾電動機電磁轉矩，從而達到調整電機轉速的作用。
4仿真分析
利用LMSAMEsim軟件模擬建立刮板輸送機控制系統，模擬某刮板輸送機工作狀態，該輸送機機頭電動機穩定狀態轉矩電流為180A，機尾電動機穩定狀態轉矩電流為160A。根據已知的電機分布情況，兩臺在刮板輸送機機頭，一臺在機尾。通過第1.1節分析可知，刮板輸送機頭、尾部分電動機電磁轉矩，負載轉矩比例為9∶4。該刮板輸送機電機工作時轉速如圖3所示，仿真分析檢測平衡控制系統。圖3中可知，在未進行平衡控制前，電動機之間的轉矩比例并不平衡，機頭處電機轉速較機尾處電機偏低的原因是機頭的負載較大。隨著平衡策略控制調整，使得刮板輸送機機頭電動機轉速在1s時發生轉速提升并在3s時趨于穩定；機尾的電機轉速在平衡策略控制調整后，機尾的轉速相應降低，最后低于機頭部分電動機轉速，分擔了負載阻力。圖4為刮板輸送機機尾部分驅動側鏈輪的負載轉矩變化圖，從圖中可以看出，機尾部分驅動鏈輪的負載轉矩變化與機尾轉速變化成反向趨勢，這說明了平衡控制系統通過調節電機轉速，改變了負載不平衡的狀況。下頁圖5為刮板輸送機機頭與機尾部分鏈輪嚙合點和分離點張力變化圖，圖中可以看出：隨著平衡控制系統調整電機轉速后，機頭機尾部分的張力存在波動，波動幅值趨于穩定。說明平衡控制策略對整體系統的穩定性影響較小；機頭部分鏈輪嚙合點張力下降，機尾部分鏈輪嚙合點張力上升。在計算后發現，頭、尾部電動機的功率在調整后處于平衡狀態。
5結論
1）刮板輸送機首尾電動機電動機是否存在過載可根據首尾電動機電流的大小來判斷。當過載現象發生，PI控制器發送調節電磁轉矩的信號到平衡控制系統中的礦用變頻器，改變電動機電磁轉矩；利用電動機負載轉矩與電機轉速的關系，通過改變電動機電磁轉矩來調整電機轉速。2）設計的平衡控制系統通過LMSAMEsim軟件模擬電動機過載情況，平衡控制系統在判定過載后進行自動調節。首尾電機的轉速發生變化，機尾處電動機的電磁轉矩升高，證明功率平衡系統有效地分擔了過載電動機的負載；通過觀察鏈條特殊點張力情況，發現該功率平衡控制系統調整負載后，系統具有較好的穩定性。
參考文獻
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作者：王雙虎 單位：潞安集團余吾煤業有限責任公司