刮板輸送機功率平衡控制方案研究

呼成林

(山西潞安集團 李村煤礦， 山西 長治 046600)

刮板輸送機主要承擔煤礦井下運煤任務，隨著綜采工作面產量的不斷提高，刮板輸送機的功率、運輸距離以及運煤量不斷增加，同時對其運行的穩定性要求也逐步提高。刮板輸送機運行時，其負載變化隨機性較大，重載啟動、重載運行情況較普遍，極易發生機頭、機尾電動機電流過大、功率不平衡問題，損壞電動機，還可能發生鏈條斷裂等重大事故[1]. 因此，研究并保證刮板輸送機機頭、機尾電動機功率平衡可有效提高刮板輸送機運行穩定，減少故障發生率。國外學者對刮板輸送機功率平衡問題研究較早，如早在1993年，Sikora.W研究并分析刮板輸送機負載均衡問題，并給出保證刮板輸送機功率平衡的驅動裝置。國內對刮板輸送機功率平衡問題研究起步較晚，并主要研究刮板輸送機啟動過程功率平衡問題，如有學者基于參數預算、模糊控制理論，預測電動機輸出電流實現功率平衡控制；或設計基于模糊神經網絡的刮板輸送機功率平衡控制器[2-4]. 上述研究主要集中在電動機啟動過程中的功率平衡問題，對刮板輸送機穩定運行時的功率平衡問題研究較少。本文采用電流識別負載加變頻調速方案，研究并設計刮板輸送機穩定運行時的功率平衡方案。

1 功率平衡系統結構

刮板輸送機功率平衡控制系統結構見圖1，機頭由兩臺電動機加一臺變頻器組成，由變頻器驅動兩臺電動機運行并實現調速功能，實現“一拖二”的驅動模式。機尾電機由一臺電動機加一臺變頻器組成，該變頻器直接驅動機尾電機運行并實現調速功能，實現“一拖一”的驅動模式。刮板輸送機機頭和機尾變頻器是實現功率平衡控制的硬件系統，變頻器將獲取的電動機的運行參數以CanOpen通信方式發送給PLC控制器，如輸出電流、狀態字、直流母線電壓、錯誤代碼等；PLC控制器將控制命令以CanOpen通信方式發送給變頻器，如控制字、運行模式等。

圖1 刮板輸送機功率平衡控制系統結構圖

根據電動機功率與電流的關系可知，研究刮板輸送機功率平衡，即研究電動機輸出電流平衡。當刮板輸送機機頭或機尾負載變化時，PLC控制器根據當前刮板輸送機運行狀態，控制變頻器對所驅動的電動機進行轉速調節，使得機頭、機尾電動機的轉矩差在預設范圍之內，避免機頭、機尾電機欠載或過載，從而實現刮板輸送機機頭、機尾電動機的功率平衡控制。

2 功率平衡控制原理

2.1 功率平衡控制思路

依據刮板輸送機工作原理以及刮板輸送機控制系統結構，做如下假設：1) 將機頭的電動機1以及電動機2等效為機頭電動機，將機尾電動機1等效為機尾電動機。2) 機頭、機尾電動機的機械特性相同。3) 機頭、機尾負載變化由機頭電流i1以及機尾電流i2識別。

刮板輸送機功率平衡控制思路見圖2，當i1/i2=1時，表明該時刻刮板輸送機機頭機尾電動機功率平衡；當i1/i2≠1時，表明該時刻刮板輸送機機頭機尾電動機功率不平衡。令Δi=i1-i2，當Δi>0時，即i1>i2，機頭電動機電流大于機尾電動機電流，機頭電動機出現過載，其輸出功率大于機尾電動機輸出功率，此時應提高機尾電動機轉速，以分擔機頭電動機的負載；當Δi<0時，即i1

圖2 刮板輸送機功率平衡控制思路圖

2.2 等效電動機機械特性分析

根據假設，刮板輸送機各電動機的機械特性相同，機頭電動機1以及電動機2始終保持同步，即可將該兩個電動機等效。已知三相異步電動機機械特性為[6-7]：

(1)

刮板輸送機機頭電機的等效機械特性為：

(2)

2.3 電動機功率配比方案

采用恒功率控制方式，即保持機頭、機尾電動機總功率不變，根據負載變化，改變機頭、機尾電動機的轉速，進而調節電動機的輸出轉矩，實現3臺電動機的功率平衡控制。3臺電動機的額定功率為：

Pei=Teiωei

(3)

其中，Pei為3臺電動機的額定功率，kW；Tei為各電動機的額定輸出轉矩，N·m；ωei為各電動機的額定轉速，rad/s. 因3臺電動機的額定功率相同，機械特性相同，則機頭電動機1、電動機2以及機尾電動機1的額定功率分配比為1∶1∶1，機頭、機尾功率分配比為2∶1.

3 功率平衡控制系統設計

根據功率平衡控制思路、等效電動機機械特性分析以及電動機功率配比方案設計刮板輸送機功率平衡控制系統，見圖3，電流i1以及i2分別為機頭等效電動機電流以及機尾電動機電流，該電流值可反映機頭、機尾電動機的負載轉矩，可根據機頭、機尾電動機實時負載轉矩比與額定值轉矩比的差值來調節機頭、機尾電動機的轉速，達到其功率比在預設范圍之內的目的。圖3中，Δi=i1-i2，如果Δi在時間tmax內持續大于0，且Δi>i2·5%，則表明此時刮板輸送機機頭電動機過載，應提高機尾電動機轉速，使得機尾電動機分擔機頭負載，達到機頭、機尾電動機功率平衡；如果Δi在時間tmax內持續小于0，且Δi>i2·5%，則表明此時刮板輸送機機尾電動機過載，應提高機頭電動機轉速。Δi=0時，表明此時機頭、機尾電動機功率處于正常范圍，無過載現象發生。磁鏈調節器以及轉矩調節器即給定值與實際反饋進行比較，并經調節器輸出，采用施密特調節方法進行調節，以保證定子磁鏈幅值與觀測值的差值在精度控制范圍之內。轉矩觀測器和磁鏈觀測器采用U-N模型，可實現全速度范圍的定子磁鏈觀測，受負載影響較小，控制性能好，精確度較高。開關狀態選擇單元實質是選擇電壓空間矢量開關信號，依據磁鏈、轉矩調節器信號來確定電壓空間矢量，并形成開關脈沖信號，控制PWM逆變器。

圖3 刮板輸送機功率平衡控制系統結構圖

4 結 語

刮板輸送機機頭、機尾電動機功率平衡控制系統的設計，可有效緩解機頭、機尾電動機運行不協調、系統抖動大，嚴重時發生鏈條斷鏈的嚴重事故，保證刮板運輸機運行的穩定性和安全性，同時可提高刮板輸送機工作效率，延長電動機使用壽命。在后續的研究中，可運用模糊控制、神經網絡以及機器學習等技術預測機頭、機尾電動機功率值，為功率平衡控制提供可靠的理論依據。