煤礦井下綜采面刮板運輸機變頻驅動的研究/翟海波

趙濤

摘 要：針對礦用組合開關控制綜采面刮板運輸機的缺點，設計了刮板運輸機變頻驅動的控制方案。詳細介紹了變頻驅動方案的硬件配置、工作邏輯、DTC直接轉矩控制、機頭機尾雙電機同步控制、運行中的節能控制。實踐證明，該套變頻驅動控制方案，穩定可靠，操作簡單，有可觀的經濟效益和社會效益，贏得了客戶的高度認可，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：刮板運輸機 變頻驅動 DTC 同步控制

中圖分類號：TD528.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（c）-0044-02

隨著現代電力電子技術和計算機科學的迅速發展，變頻驅動技術已趨于成熟。目前綜采面刮板運輸機普遍采用組合開關高低速切換進行控制，該控制方式在起動的前期，轉速和扭矩瞬間增大，引起對刮板運輸機結構和鏈條的巨大沖擊，時有斷鏈發生，給現場的生產安全帶來嚴重危害；采用組合開關控制，工作時始終保持在50 Hz工頻運行，在低載或空載時，會帶來沒有必要的能源消耗。相對于組合開關控制，采用變頻驅動的優勢比較明顯；變頻驅動起動時速度緩慢增加，對機械結構零沖擊，最大限度延長設備的使用壽命；變頻驅動可根據電機空載運行情況，實現斷鏈保護，減少安全事故；變頻驅動在刮板運輸機低載或空載時，控制系統能根據負載情況自動降低電機的轉速，進而節省能源的消耗。

該文針對筆者公司研發的BPJ-400型防爆變頻器和SGZ-764/500型刮板運輸機，進行了變頻驅動的應用研究。

1 刮板運輸機變頻驅動系統配置

BPJ-400型防爆變頻器和SGZ-764/500型刮板運輸機均為我司研發的成熟產品，BPJ-400型防爆變頻器的額定功率為400 kW，SGZ-764/500型刮板運輸機為雙250 kW電機，額定總功率為500kW，采用兩臺變頻器一拖一的方式進行驅動。兩變頻器之間采用主從通訊，機尾變頻器為主機，機頭變頻器為從機。主控器只與主變頻器進行通訊，主控器給出主變頻器的速度設定，如圖1所示。因刮板運輸機電機剛性軸耦合，所以從變頻器跟隨主變頻器的轉矩設定；即主變頻由速度環和轉矩環控制，從變頻器僅由轉矩環控制。

2 直接轉矩控制方式

BPJ-400型防爆變頻器其控制主板采用ABB公司的ACS800，該主板采用直接轉矩控制，Direct torque control，簡稱DTC，是繼矢量控制之后，發展起來的另一種高動態性能的交流電動機變壓變頻調速方法，它因在轉速環內直接用轉矩反饋控制電機的電磁轉矩而得名。很大程度上解決了矢量控制中結構復雜、計算量大、參數變化敏感等問題。ABB公司的ACS800變頻器控制板采用無速度傳感器的DTC控制方式，外環是轉速環，系統通過建立的虛擬電機模型計算出轉子速度信號作為外環控制的反饋信號，內環是轉矩環，通過內外兩環閉環控制，實現無速度傳感器的電機DTC控制。

3 變頻驅動的同步控制

2臺電機同時拖動1臺刮板運輸機，因其電機軸屬于剛性耦合，為提高運輸機部件的使用壽命，防止因電機不同步造成的損壞，只靠電機速度同步并不能滿足要求，正常運行時控制系統還要求機頭機尾兩電機輸出的轉矩相同。

根據定義，電機負載轉矩率為：

δ=T/Te

式中T為電機所承擔的負載轉矩；Te為電機額定轉矩。

負荷分配要求：δw=δt=δ即

Tw為機尾電機所承擔的負載轉矩；Twe為機尾電機的額定轉矩；Tt為機頭電機所承擔的負載轉矩；Tte為機頭電機的額定轉矩；Tz為運輸機輸出總負載轉矩；Tze為運輸機額定總轉矩。

因此要求機頭機尾電機輸出轉矩相同，其相應電機輸出轉矩應滿足：

Tw=δzongTwe，Tt=δzongTte的要求。

實際運行過程中，主控制器實時讀取機頭機尾電機的轉矩，然后將兩電機進行比較，調整其給定頻率，加大或減少電機的轉差率，從而改變電機轉矩以達到負載平衡。

Km為電機常數；φm為氣隙磁通；ωs為轉差角頻率；Rr為轉子等效電阻。

4 刮板運輸機的節能控制

根據刮板運輸機運行的各種工況，長期摸索總結，建立復雜的數學模型，并設計人機交互系統；控制系統人機界面HMI中有轉速下限、轉速上限、中間轉速、轉矩下限、轉矩上限等可設置的參數；含義如下：

轉速下限：參數設定分段調速的下限速度，范圍400～900（rpm）。

轉速上限：參數設定分段調速的上限速度，范圍450～1484（rpm）。

中間轉速：設定為轉速上限與轉速下限的中間值。

轉矩下限：參數設定為分段調速時的轉矩下限，范圍5～90（%）。

轉矩上限：參數設定為分段調速時的轉矩上限，范圍15～200（%）。

基本控制理念為：當實時轉矩低于轉矩下限時，刮板機按轉速下限運行；當實時轉矩在轉矩下限與轉矩上限之間時，刮板機按中間轉速運行；當實時轉矩大于轉矩上限時，刮板機按轉速上限運行。正常工作時控制系統實時檢測負載的變化，根據控制模型，調整變頻輸出頻率，以改變驅動電機的轉速，進而實現節能降耗的目的。

5 結語

我司研發的整套刮板運輸機變頻驅動系統，經過井下長時間運行觀察，運行穩定可靠，最大程度延長了刮板運輸機的使用壽命，實現了2年無大修的目標。在降低能耗的同時，保證了礦方的高效生產，贏得了客戶的高度認可。隨著科技的迅猛發展，煤礦井下智能化的要求越來越高，安全、高效、節能的智能化礦井是今后發展的主要方向；由于變頻驅動具有負載零沖擊、電網波動小、速度調節寬、節能降耗、控制靈活等眾多優點，在能耗較大和控制要求較高的場合會逐漸替代傳統電機的工頻直起應用。

參考文獻

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