刮板輸送機(jī)雙機(jī)變頻驅(qū)動功率平衡控制研究

王 浩

(山西焦煤集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030021)

刮板輸送機(jī)作為綜采工作面的“三機(jī)”之一，在煤炭生產(chǎn)過程中具有重要的作用，設(shè)備本身的安全性和可靠性是影響煤炭開采效率的重要因素。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況可知，刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中主要存在3個(gè)問題[1-3]：1) 設(shè)備載重頻繁，電能消耗較大，影響到工作面其他機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。2) 設(shè)備帶載時(shí)重啟困難，容易對機(jī)電設(shè)備內(nèi)部裝置造成沖擊，損壞設(shè)備。3) 對于大功率重載設(shè)備，一般采用兩臺或多臺電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，由于電機(jī)的差異性容易出現(xiàn)功率不平衡現(xiàn)象，影響設(shè)備正常使用。

針對雙機(jī)驅(qū)動時(shí)刮板輸送機(jī)易出現(xiàn)驅(qū)動功率不平衡現(xiàn)象，以某礦重型刮板輸送機(jī)為例，對驅(qū)動平衡控制進(jìn)行研究。

1 刮板輸送機(jī)負(fù)載特性研究

刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中是以鏈條進(jìn)行連接傳動，在電機(jī)開啟后將輸送的動力傳遞至動力耦合系統(tǒng)和減速系統(tǒng)，經(jīng)過雙系統(tǒng)的耦合配對、調(diào)校后傳遞至鏈輪機(jī)軸帶動鏈條進(jìn)行轉(zhuǎn)動，促使刮板鏈在刮板輸送機(jī)的中部凹槽內(nèi)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動。此時(shí)刮板輸送機(jī)將采煤機(jī)截割下來的煤炭運(yùn)輸至機(jī)頭處，然后卸載給轉(zhuǎn)載機(jī)，完成煤炭的輸送。

目前，刮板輸送機(jī)的動力供給一般是采用鼠籠式異步電動機(jī)，該電機(jī)的優(yōu)良特性造就了刮板輸送機(jī)在運(yùn)輸煤炭過程中具有較高的穩(wěn)定性和耐用性。但是由于采煤工作面的復(fù)雜特性導(dǎo)致采煤機(jī)截割煤壁后落入刮板輸送機(jī)上的煤炭具有一定的沖擊性和頻繁性，給電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的功率輸送造成一定的影響。在這種情況下，如果電機(jī)采用直接啟動的方式，會導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)械電力系統(tǒng)占用較大的電流，迫使其他系統(tǒng)電流較小，影響該電流分支上用電設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致刮板輸送機(jī)出現(xiàn)功率不平衡狀態(tài)，刮板輸送機(jī)的正常運(yùn)行受阻。為此，相關(guān)機(jī)電設(shè)備制造廠研制了一種大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，以便應(yīng)對該類狀況。某礦重型刮板輸送機(jī)電機(jī)負(fù)載特性曲線見圖1，其正常工作時(shí)電壓為3.3 kV，電流為198.1 A，轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，過載系數(shù)為3.8，特別適合重載、滿載啟動。

圖1 某礦重型刮板輸送機(jī)電機(jī)負(fù)載特性曲線圖

由圖1分析可知，在刮板輸送機(jī)啟動時(shí)，瞬時(shí)電流(I)達(dá)到額定電流(In)的8倍以上，此時(shí)電路受到較大電流的沖擊，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行；而轉(zhuǎn)矩在開始時(shí)緩慢增加，達(dá)至某一瞬間呈現(xiàn)劇增趨勢后陡然下降，轉(zhuǎn)矩的急劇變化嚴(yán)重影響刮板輸送機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，采用順序啟動方式可有效降低刮板輸送機(jī)瞬時(shí)啟動電流，緩解轉(zhuǎn)矩突變。

2 不平衡因素分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立刮板輸送機(jī)仿真模型，模擬采煤過程中煤體落入刮板輸送機(jī)后設(shè)備在運(yùn)行過程中的電流變化特性，分析影響刮板輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動的不平衡因素。

2.1 不同負(fù)載對雙機(jī)功率平衡的影響規(guī)律

由于刮板輸送機(jī)在不同負(fù)載時(shí)雙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)具有明顯的差異性，分別選取具有代表性的3類情況進(jìn)行分析，主要研究空載、50%額定載荷和滿載2種情況下刮板輸送機(jī)的運(yùn)行特征，見圖2.

圖2 不同負(fù)載下雙機(jī)電流曲線圖

由圖2可知，刮板輸送機(jī)空載時(shí)，從啟動到平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)頭電動機(jī)與機(jī)尾電動機(jī)輸出電流不存在明顯的差異性，無功率不平衡現(xiàn)象。此外，刮板輸送機(jī)在50%載荷作用下和滿載作用下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從啟動到平穩(wěn)運(yùn)行過程中，機(jī)頭電動機(jī)與機(jī)尾電動機(jī)輸出電流呈現(xiàn)明顯的不平衡特征。當(dāng)刮板輸送機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行后，50%載荷作用下的機(jī)頭電動機(jī)輸出電流約為126 A，機(jī)尾電動機(jī)輸出電流約為104 A，其功率不平衡度約為19.3%；而滿載作用下機(jī)頭電動機(jī)輸出電流約為176 A，機(jī)尾電動機(jī)輸出電流約為142 A，其功率不平衡度約為35%. 由此可以看出，刮板輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動功率的不平衡度隨著負(fù)載的增大而增大。

2.2 啟動間隔對雙機(jī)功率平衡的影響規(guī)律

一般情況下，采用順序啟動方式能夠有效解決刮板輸送機(jī)有載情況下出現(xiàn)的功率不平衡現(xiàn)象，分別選取機(jī)尾電動機(jī)先于機(jī)頭電動機(jī)啟動1 s、2 s和3 s 3種情況研究刮板輸送機(jī)的運(yùn)行特征，見圖3.

圖3 不同啟動間隔下雙機(jī)電流曲線圖

由圖3可知，刮板輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動功率平衡受雙機(jī)啟動間隔的影響。當(dāng)機(jī)尾電動機(jī)先于機(jī)頭電動機(jī)啟動1 s時(shí)，穩(wěn)定后的機(jī)頭電動機(jī)輸出電流約為131 A，機(jī)尾電動機(jī)輸出電流約為115 A，其功率不平衡度約為15.5%；機(jī)尾電動機(jī)先于機(jī)頭電動機(jī)啟動2 s時(shí)，穩(wěn)定后的機(jī)頭電動機(jī)輸出電流約為125 A，機(jī)尾電動機(jī)輸出電流約為122 A，其功率不平衡度約為2.46%；而機(jī)尾電動機(jī)先于機(jī)頭電動機(jī)啟動3 s時(shí)，穩(wěn)定后的機(jī)頭電動機(jī)輸出電流約為128 A，機(jī)尾電動機(jī)輸出電流約為122 A，其功率不平衡度約為4.77%. 由此可以看出，在一定范圍內(nèi)，刮板輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動功率的不平衡度隨著雙機(jī)啟動間隔的增大而減小。

3 模糊PID控制技術(shù)

3.1 模糊控制原理

模糊控制作為一種全新的控制方法，是現(xiàn)場工作人員利用實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的一種非線性的全局準(zhǔn)確控制模式，該方法主要是針對復(fù)雜的、具有非線性變化特征的對象進(jìn)行準(zhǔn)確控制。在模糊控制過程中，通過控制3種輸入量，主要是數(shù)據(jù)誤差、誤差變化率及變化率的變化程度，將3者輸入模糊控制器中，利用自身的控制方法給出控制量的改變量，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算及結(jié)果控制。

3.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊PID控制技術(shù)通常是在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上依據(jù)模糊控制原理進(jìn)行結(jié)果預(yù)留及相關(guān)處理。該控制技術(shù)核心是通過將模糊規(guī)則、初始PID參數(shù)等相關(guān)信息存儲在計(jì)算器中，并提前設(shè)置與各種參數(shù)相關(guān)的運(yùn)算法則，模糊PID控制原理示意圖見圖4. 當(dāng)模糊控制器接收到命令時(shí)，依據(jù)提前設(shè)置的模糊規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)程序的運(yùn)算，可以得到最佳的動態(tài)結(jié)果。此外，在命令的傳輸或接收發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，模糊控制器根據(jù)模糊控制原理及算法進(jìn)行命令修正，使控制過程及結(jié)果更加智能化。

3.3 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用模糊PID控制技術(shù)對刮板輸送機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)改造，并將改造后的刮板輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與改造前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1，2.

表1 不同負(fù)載時(shí)雙機(jī)電流數(shù)據(jù)表

圖4 模糊控制原理示意圖

表2 不同啟動時(shí)間雙機(jī)電流數(shù)據(jù)表

由表1、2可知，采用模糊PID控制技術(shù)能夠有效控制刮板輸送機(jī)的雙機(jī)功率，雙機(jī)不平衡度分別由0.82%、19.3%、35%下降至0.41%、4.37%和20.69%，改造效果明顯。此外，改造后的雙機(jī)在不同啟動時(shí)間間隔內(nèi)不平衡度同樣有所降低。

4 結(jié) 論

由于雙機(jī)驅(qū)動時(shí)刮板輸送機(jī)易出現(xiàn)驅(qū)動功率不平衡現(xiàn)象，研究了刮板輸送機(jī)負(fù)載特性，同時(shí)利用MATLAB/Simulink軟件建立刮板輸送機(jī)仿真模型，分析可知，刮板輸送機(jī)雙機(jī)驅(qū)動功率的不平衡度隨負(fù)載的增大而增大，隨雙機(jī)啟動間隔的增大而減小，提出一種模糊PID控制技術(shù)。由現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該技術(shù)降低了雙機(jī)不平衡度，有效改善了雙機(jī)驅(qū)動的刮板輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀。