皮帶多電機驅動中的功率自動平衡研究

孫志剛

（西山煤電（集團）公司 屯蘭礦，山西 古交 030206）

西山煤電（集團）公司屯蘭礦12407工作面皮帶運輸距離長達2000m，皮帶安裝完工后，由于運輸距離長，皮帶負載分布不均勻，3臺電機輸出功率不平衡，導致頻繁出現1臺電機故障不啟動，在初采初放過程中，皮帶運輸一直不正常，而由2臺電機驅動，運輸過程中經常過載停機，嚴重影響皮帶的正常運輸，從而導致工作面不能完成既定的產量計劃。為了解決皮帶運輸過程中電機不啟動問題，該礦通過分析3臺電機啟動及運行中的功率及啟動電流，最終發現皮帶頭2#電機的啟動功率要遠遠大于其他2臺電機，并且3臺電機的運行功率差異較大，存在較大的不平衡性，經常出現2#電機不啟動。為此需要解決3臺電機運行中的功率自動平衡問題。

1 12407工作面皮帶的布置形式

屯蘭礦12407工作面走向2029m，由于2#、3#煤合采，平均采高4.5m，開采煤量全部由1條距離2000m的皮帶運輸，皮帶帶寬1.2m，采用可伸縮膠帶機。皮帶頭位于12407皮帶巷口，與南四集中膠帶搭接。皮帶機尾位于1993m處，與橋式轉載機搭接。皮帶分別由3臺315kW 電機驅動。其中皮帶頭布置2臺電機，斜切眼位于皮帶巷1130處，設置中驅動，布置1臺電機，3臺電機都由皮帶頭集中控制。3臺電機分別由3臺變頻器驅動，實現同步功率輸出。12407皮帶布置示意圖見圖1.

圖1 12407皮帶布置示意圖

2 功率自動平衡在皮帶電機驅動過程中的實現

2.1 電機不啟動的原因分析

在皮帶開啟后，經常出現皮帶打滑，皮帶壓死等故障。經過系統排查，發現在皮帶啟動后，皮帶頭2#電機經常自動停機，皮帶運輸單靠1#、3#電機驅動。由于皮帶上煤量大，電機負荷過大，導致電機過載，有時候皮帶打滑，無法正常開啟。經過仔細對3臺電機啟動及運行過程的監測，發現2#電機的啟動電流要遠遠大于1#和3#電機，導致2#電機一啟動便出現過載停機。因此，要保證皮帶平穩啟動、運行，必須保證3臺電機的啟動電流、運行功率相互平衡，為此，有必要研究3臺電機驅動中的功率自動平衡問題。

2.2 功率自動平衡功能的實現

12407運輸皮帶的3臺電機分別由3臺變頻器驅動，保證了皮帶從啟動到正常運行實現平穩過渡，避免啟動電流過大帶來的沖擊負荷。變頻器的特點是通過改變頻率的大小，調整電機的輸出電流、功率、轉速等。為了實現3臺電機啟動及運行過程功率平衡，采用了先進的PLC控制3臺變頻器。PLC選用西門子公司的S7-200，通過S7-200通訊接口與變頻器通訊接口連接，執行相應的通訊協議，進行遠程控制3臺變頻器的啟動頻率，從而控制3臺電機的運轉。

2.2.1 利用PLC實現對變頻器的控制

PLC的優點是能夠對皮帶巷的3臺變頻器實現集中控制，通過選擇最優算法，對3臺變頻器的啟動電流及頻率進行在線監測，通過監測反饋的數據，進行比較，在此設置允許誤差。假設1#電機啟動電流為I1，2#電機的啟動電流為I2，3#電機啟動電流為I3.當（I1-I2）／I2≥10%時，PLC自動調低I1，當（I1-I2）／I2≤-10%時，PLC自動調低I2；同樣當（I2-I3）／I3≥10%時，PLC自動調低I2，當（I2-I3）／I3≤-10%時，PLC自動調低I3；當（I1-I3）／I3≥10%時，PLC自動調低I1，當（I1-I3）／I3≤-10%時，PLC自動調低I3.總之，PLC讀取來自變頻器的3臺電機啟動電流，三者之間兩兩相互比較，允許誤差為10%，PLC始終循環掃描，將監測的電流值進行比較，始終在3個電流值中將較大的電流調節至10%的誤差范圍之內，保證3臺電機啟動時不會出現因某臺電機啟動電流過大而過載的現象。

2.2.2 利用PID實現變頻調速和平衡功率控制

PID控制器在當前多點電機驅動領域應用很廣泛，其主要功能就是利用閉環控制模式，實現對多個電機的功率平衡控制。通常PLC都能實現PID控制功能，同時變頻器本身也自帶PID控制功能。12407皮帶巷利用PLC優化了3臺電機的啟動電流，保證3臺電機啟動電流誤差控制在±10%之內，其主要通過啟動電流比較，將啟動電流偏大值進行微調。但由于皮帶運輸距離長，皮帶運輸負荷大等特點，啟動電流過小，啟動功率就小，會導致電機無法啟動，皮帶不能正常開啟。因此，采用先進的PID控制算法，既要實現3臺電機都平穩啟動，又要實現3臺電機啟動后功率平衡，保證皮帶開啟后平穩啟動直至平穩運行。PID控制算法設計，見圖2.

圖2 PID控制圖

以3臺電機電流的平均值的差值作為調節功率平衡的一個條件，取平均值減少誤差。電流差值的絕對值在一個范圍的時候是調節的條件。一般額定電流的10%或更小。以一個可以調節時間的脈沖，在自己設定的時間內，一般10s.當出現功率不平衡時，此時間設定能讓改動后的頻率達到改動值，時間不能太短或者太長，否則導致功率調過。時間根據實際情況變動。頻率給定一次調節的大小，自己設定，功率平衡功能是在變頻加速后自動開啟，如果有某臺變頻采回的電流是由于電流模塊故障而出現數據異常的時候，有相應的轉換開關把功率平衡功能切斷實現應急啟車。通過現場情況的跟蹤，該皮帶運行狀況良好，3臺電機之間的電流差值為2～3A.

3 結 論

12407皮帶驅動采用了先進的PLC集中控制3臺變頻器，運用先進的PID算法控制3臺變頻器的輸出頻率，最終保證將3臺變頻器的輸出頻率誤差減少至最小。通過功率自動平衡調節后，徹底解決了之前2#電機不啟動的故障，保證在皮帶開啟后，3臺電機都平穩啟動，平穩運行。皮帶運行平穩，工作面設備開機率得到保障。在初采初放時，皮帶經常過載，圓班產量僅為3刀煤。經過調整設計，目前圓班產量6刀煤，保證了計劃產量的按時完成。滿足了工作面設計要求，提高了生產效益。最重要的是對長距離皮帶運輸中經常出現的電機輸出功率不平衡問題探索出一條切實可行的解決方案。

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