帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張紫萍

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西呂梁 033100）

0 引言

為了提升煤礦開采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，企業(yè)應(yīng)充分重視帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)工作。本文通過實(shí)踐性分析，明確了帶式輸送機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制器及調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過仿真分析，無模型自適應(yīng)控制器具備較快的運(yùn)行速度，控制精度也優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器，可以為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)采用“異步電機(jī)＋減速器”的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式，隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，異步電機(jī)因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與簡單的優(yōu)勢在煤礦生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。但實(shí)際運(yùn)行期間在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要建立無功電廠，以致異步電機(jī)額定負(fù)載功率保持在0.7～0.9之間。且在實(shí)際運(yùn)行期間，異步電機(jī)存在諧波損耗與轉(zhuǎn)差損耗問題，降低了運(yùn)行效率［1－2］。由于異步電機(jī)的不足，以致傳統(tǒng)輸送機(jī)僅利用異步電機(jī)無法完成大負(fù)荷的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，為了滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，工作人員配合使用滾筒與減速機(jī)設(shè)備，但并未切實(shí)增大工作效率，且還會(huì)浪費(fèi)消耗更多的電能。調(diào)查分析可知，對于異步電機(jī)的磁場問題，應(yīng)綜合采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，以切實(shí)提高設(shè)備的運(yùn)行效率。因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)相關(guān)硬件與控制器時(shí)應(yīng)綜合采用“永磁同步電機(jī)＋減速機(jī)”的組合模式，以達(dá)到預(yù)期運(yùn)行效果［3］。

2 帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)要求

煤礦帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具備良好的制動(dòng)性能與啟動(dòng)性能，運(yùn)行設(shè)備具備較大的啟動(dòng)力矩，當(dāng)皮帶處于重載模式時(shí)給予一定助力。同時(shí)，還可以控制啟動(dòng)加速度與制動(dòng)減速度，當(dāng)采用多部驅(qū)動(dòng)電機(jī)與多滾筒裝置時(shí)，各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具備較高的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載，以保證穩(wěn)定啟動(dòng)電機(jī)，減小對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊力。

分析帶式輸送電機(jī)運(yùn)行情況可知，帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的特性曲線為預(yù)加速形式的拋物線加速模式，在200 s左右時(shí)確定啟動(dòng)時(shí)間。隨著輸送機(jī)運(yùn)輸量與運(yùn)輸距離的增加，皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的要求也開始增大，輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)合理采用軟啟動(dòng)模式。以往煤礦開采企業(yè)的皮帶運(yùn)輸機(jī)大多采用CST軟啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，井下回采工作皮帶運(yùn)輸機(jī)等開始廣泛采用變頻驅(qū)動(dòng)模式，獲得了良好的效果［4－5］。

3 變頻控制方式的優(yōu)勢

煤礦帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)皮帶機(jī)時(shí)應(yīng)采用變頻控制器，在合理設(shè)定控制參數(shù)的基礎(chǔ)上合理選擇加速曲線與線性斜坡，以有效保證合理控制皮帶運(yùn)輸機(jī)的加速或減速時(shí)間，結(jié)合輸送機(jī)的運(yùn)行情況設(shè)置合理的啟停曲線。變頻控制器應(yīng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制模式，設(shè)定輸送機(jī)的分辨頻率，設(shè)置優(yōu)越的平滑啟動(dòng)功能，以保證驅(qū)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在優(yōu)化后，應(yīng)保證皮帶皮帶運(yùn)輸機(jī)連續(xù)性調(diào)節(jié)頻率，保證根據(jù)指定速度帶載運(yùn)行，以滿足皮帶運(yùn)輸機(jī)的驗(yàn)帶需求。除了應(yīng)正常啟停外，皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻控制模式還應(yīng)具備鍵盤急停與外部急停等功能，以自動(dòng)化控制皮帶運(yùn)輸機(jī)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)的變頻控制器在啟動(dòng)時(shí)間與關(guān)停時(shí)間方面應(yīng)具備廣泛的調(diào)節(jié)范圍，保證在0～1 800 s范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng)，且在控制驅(qū)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)保證可以實(shí)現(xiàn)正反運(yùn)轉(zhuǎn)，在額定電壓的85%～115%范圍內(nèi)，以便輸出額定負(fù)載。變頻控制器還應(yīng)設(shè)置人性化的人機(jī)操作界面，以直觀顯示變頻器的運(yùn)行情況，方便查詢變頻器的運(yùn)輸參數(shù)［6］。當(dāng)變頻驅(qū)動(dòng)控制器出現(xiàn)供電故障問題時(shí)，應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)，以便在斷電時(shí)不會(huì)損壞變頻器設(shè)備，除此之外，變頻控制驅(qū)動(dòng)還應(yīng)安裝油壓、油溫、軸承溫度以及減速器軸溫等傳感器接口。

4 帶式輸送機(jī)節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制器及調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

煤礦綜采工作面帶式輸送機(jī)的工作流程比較復(fù)雜，環(huán)境參數(shù)與負(fù)載參數(shù)處于動(dòng)態(tài)變化過程中。同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行過程中，帶式輸送機(jī)存在較大的容量滯后性，且煤礦運(yùn)輸矸石的變化幅度較大。當(dāng)前PID控制器被廣泛應(yīng)用至煤礦生產(chǎn)過程中，且積分、微分以及比例等均屬于控制器的運(yùn)行環(huán)節(jié)，此控制器的結(jié)構(gòu)簡單，但實(shí)踐表明PID控制器在帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)期間存在現(xiàn)場滯后問題，無法保證帶式輸送機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，更無法保證參數(shù)精度。為了解決上述問題，帶式輸送機(jī)應(yīng)采用無模型自適應(yīng)控制方式，保證運(yùn)行穩(wěn)定性，具體控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無模型自適應(yīng)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在煤礦綜采過程中，帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間的環(huán)境參數(shù)與負(fù)載參數(shù)處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，滯后性加強(qiáng)，這便需要帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備更高的可靠性與穩(wěn)定性要求，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件也應(yīng)逐步提高要求［7］。主電路、啟動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路以及檢測電路等均屬于帶式輸送機(jī)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的組成部分，應(yīng)做好主電路中主要硬件與熔斷器的選型設(shè)計(jì)工作。

一是應(yīng)做好功率開關(guān)器件的選型工作，保證具備合理的正反向峰值電壓值，在滿足安全性的基礎(chǔ)上，要求功率開關(guān)器件集電極－發(fā)射極電壓值為正反向峰值電壓的2.5倍，正反向峰值電壓為537 V，開關(guān)器集電極－發(fā)射極最小電壓值為1 342 V。因此，功率開關(guān)器件應(yīng)選擇BMSSOOGB140DLC型號(hào)，采用絕緣柵雙極型晶體管。二是做好熔斷器的選型工作，在結(jié)合接線電流額定值的基礎(chǔ)上，設(shè)定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整流器的輸出電流值為84 A，進(jìn)線電流值為69 A。為了保證安全運(yùn)行，進(jìn)線電流值應(yīng)保留一定余量，熔斷器過流跳閘的電流值應(yīng)為76 A，分析可知熔斷器應(yīng)選擇KH80型號(hào)，設(shè)定額定電流為80 A。

5 節(jié)能驅(qū)動(dòng)的效果分析

帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式根據(jù)無模型自適應(yīng)控制理論，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)，為了保證設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，應(yīng)合理設(shè)置調(diào)速系統(tǒng)的仿真參數(shù)，并進(jìn)行可靠性與穩(wěn)定性分析。

5.1 設(shè)置仿真參數(shù)

帶式輸送機(jī)節(jié)能啟動(dòng)電機(jī)的仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

5.2 節(jié)能驅(qū)動(dòng)效果分析

為了充分保證帶式輸送機(jī)的節(jié)能驅(qū)動(dòng)效果，仿真期間應(yīng)與傳統(tǒng)PID控制下的效果進(jìn)行對比，定向分析有擾動(dòng)與無擾動(dòng)情況下的控制效果［8］。

實(shí)踐運(yùn)行可知，基于無模型自適應(yīng)控制器與傳統(tǒng)PID控制器下的帶式輸送機(jī)均可以達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，但無模型自適應(yīng)控制器的運(yùn)行速度更為理想。且在誤差控制方面，傳統(tǒng)PID控制器的誤差較大，為3.5左右，而無模型自適應(yīng)控制器的誤差僅為0.75左右，效果更為理想。

6 結(jié)束語

本文介紹了帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)，引入無模型自適應(yīng)控制器設(shè)備，通過仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)保證了節(jié)能驅(qū)動(dòng)效果與誤差控制精度，提升了帶式輸送機(jī)的工作效率，以期為此后帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)工作提供更多依據(jù)。