雙電機驅動的帶式輸送機變頻控制裝置研究

牛俊平

(山西焦煤集團 嵐縣正利煤業有限公司， 山西 嵐縣 033500)

帶式輸送機是一種廣泛應用于煤炭運輸中的設備，隨著煤礦井下綜采效率的不斷提升，對輸送機的運輸速度、運量及運輸穩定性也提出了更高的要求。為了滿足帶式輸送機大運量、高帶速、長距離的運輸要求，輸送機的驅動系統多采用了雙電機組合驅動的方式，但由于輸送機系統自身的結構特性，雙電機組合控制方式存在著啟動電流沖擊大、啟動時間長、轉速超調量大以及雙電機輸出功率不平衡的問題，導致輸送機在運行時不穩定性因素頻發，給輸送機系統的安全運行造成了極大的安全隱患[1]. 為解決傳統的雙機控制系統所存在的設備數量多、成本高、穩定性差的缺點，保護電網免受大啟動電流沖擊，保證雙電機速度同步及功率平衡，提出了一種一整流、兩逆變組合式的雙機驅動變頻控制裝置，以實現對帶式輸送機雙電機驅動系統的控制，提升其工作的可靠性和穩定性。

1 帶式輸送機組合式雙機驅動變頻控制原理

組合式雙機變頻驅動控制系統由主控制電路將井下三相交流電變頻轉換后用于對兩組驅動電機的控制，使電機通過傳動裝置控制輸送機驅動滾筒的運行，最終實現對輸送帶運行的控制。

該組合式雙機驅動變頻控制系統在工作時，首先由組合式變頻通過整流器把1 140 V的三相交流電轉變為1 600 V的直流電源，用于對兩個逆變器的控制；然后控制系統根據輸送帶設定的運行帶速，通過對系統電壓、電流及實際轉速的監測來確定系統調整所需的PWM(脈沖寬度調制)控制波形。系統的變頻控制器根據控制波形來實現對輸出電壓、電流的調節和分配，實現對各組電機的恒功率控制，同時確保輸送機系統工作時的穩定性[2-3].其控制原理見圖1.

2 組合式變頻控制方法研究

該帶式輸送機組合式雙機驅動變頻控制的目的是控制輸送機兩個驅動電機工作時的實際工作轉速ωt1及ωt2，同時需要控制其工作時的轉矩te1及te2相等，系統工作時的變頻控制方法見圖2[4].

由圖2可知，該組合變頻驅動控制主要是基于直接轉矩控制方法的優化，使驅動電機能夠跟隨著輸送機系統設定的轉速進行閉環調節控制，從動電機則跟隨著主動電機的實際轉速而實現閉環控制。由此可確保滿足輸送機規定運行速度要求的同時又能滿足各電機轉速的同步性和輸出轉矩的一致性。實際運行時，從動電機通過轉速的PI運算獲取給定轉矩，然后與電磁轉矩進行對比獲取對轉矩的控制信號。主動電機也是由轉速的PI運算獲取實際轉矩，然后和電磁轉矩相減，獲取轉矩差值進行補償，最終獲得轉矩控制信號。通過該控制方式可以實現對主電機輸出轉矩的主動調控，實現將兩個電機輸出的轉矩誤差控制在設定范圍內，確保驅動電機工作時的穩定性和協調性，有效避免了因電機不協調所導致的一系列問題。

圖1 組合式雙機驅動變頻控制裝置控制原理圖

圖2 變頻驅動控制原理圖

3 仿真結果對比分析

利用MATLAB仿真分析軟件分別對傳統控制方式及組合式雙機驅動變頻控制裝置的控制效果進行對比驗證[5]. 根據電機的實際工作情況，在進行仿真分析時，設置電機的額定運行功率為400 kW，其工作時的額定電壓為1 140 V，工作時電機的電阻為0.015 Ω，電機的電感為0.036 H，其運行時的轉動慣量為2.6 kg·m2，電機的轉矩磁滯寬度為1 N·m. 仿真分析模型見圖3，其電機啟動電流(定子電流)對比見圖4.

由圖4可知，當采用傳統控制方式時，其電機啟動時的電流約為1 280 A，而采用組合式雙機驅動變頻控制時其啟動電流僅需約600 A，啟動電流降低了約53.12%.

不同控制方式下，帶式輸送機系統驅動電機的轉速變化曲線對比見圖5.

由圖5可知，優化前驅動電機提速到500 r/min，需要約1.6 s，而采用組合式雙機驅動變頻控制系統優化后，使電機平穩的提速到500 r/min只需要約0.7 s，電機的啟動時間縮短了約56.25%.

不同控制方式下電機電磁轉矩的變化見圖6.

圖3 雙機驅動仿真分析模型圖

圖4 優化前后各控制系統的定子電流對比圖

圖5 優化前后各控制系統的電機轉速變化曲線圖

由圖6可知，優化前驅動電機工作時的最大轉矩約為1 900 N，而優化后電機工作時的最大電磁轉矩約為700 N，降低了約63.2%.

目前，該方案已在正利煤業有限公司得到了應用，為了便于工作人員對輸送機的運行狀態進行監測，開發了能夠對輸送機的運行狀態進行實時監測和顯示的系統，其界面見圖7. 該系統在運行過程中能夠直觀地對輸送機的運行狀態進行記錄和分析。實際應用效果表明，該方案能夠有效地提高輸送機在運行過程中的穩定性，降低輸送機系統在啟動過程中的電流沖擊。

圖6 優化前后電機電磁轉矩的變化曲線圖

圖7 正利煤業輸送機雙機驅動變頻控制系統界面示意圖

4 結 論

通過對傳統控制方式缺點的分析，提出了一種新的組合式雙機驅動變頻控制裝置，對其控制原理和構成進行了分析，同時利用MATLAB仿真分析軟件對優化前后的控制系統對帶式輸送機工作特性的影響進行了研究，結果表明：

1) 當采用傳統控制方式時電機啟動時的電流約為1 280 A，而采用組合式雙機驅動變頻控制時其啟動電流僅需約600 A，啟動電流降低了約53.12%.

2) 優化前驅動電機提速到500 r/min，需要約1.6 s，而采用組合式雙機驅動變頻控制系統，使電機平穩提速到500 r/min只需要約0.7 s，電機的啟動時間縮短了約56.25%.

3) 優化前驅動電機工作時的最大轉矩約為1 900 N，而優化后電機工作時的最大的電磁轉矩約為700 N，降低了約63.2%.