軟啟動帶式輸送機電機功率平衡技術研究

李 強

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機是煤礦常見的機械運輸設備，其結構簡單、承載能力強、運輸量大、運輸距離長、易于維修，因此廣泛應用于煤礦生產和運輸的各個階段。近些年來，隨著煤礦自動化和智能化設備的普及，煤炭的綜采能力大幅提升，因此對重點運輸環節的皮帶輸送機的運量、功率等都提出了更高要求。對于大型、長距離帶式輸送機，為降低對輸送帶的強度要求、降低單電機功率、消除設備啟動造成的電網沖擊，普遍采用多電機、多滾筒、軟啟動的驅動方式。理想情況下，各臺具備軟啟動功能的電機按其額定工作能力分配功率，但實際由于各種因素的影響，電機功率的分配將出現較大偏差，由此造成有的電機超載、燒毀，對安全、高效和穩定生產造成嚴重影響[1-3]。

1 長距離帶式輸送機組成結構

如圖1所示，長距離帶式輸送機主要由機頭傳動部、改向滾筒、拉緊滾筒、拉緊配重、托輥、機尾傳動部、給料裝置、輸送帶等組成。其中，輸送帶材質為鋼芯膠帶，負責承載運輸物，并承受拉緊張力；機頭和機尾傳動部負責提供運輸動力，驅動輸送帶周期運轉，為保證啟動和制動的平穩性，一般通過變頻器、軟啟動器等進行啟動；由于輸送帶存在彈性變形和拉伸蠕變，因此采用拉緊滾筒和拉緊配重為輸送帶提供必要的張緊力，以保證卷筒與輸送帶之間有足夠的摩擦力[4-6]。

2 功率不平衡影響因素

對于帶式輸送機，造成各電機驅動功率不平衡的因素主要包括以下幾個方面：

(1) 輸送帶彈性伸長造成機頭位置電機超載、機尾電機欠載，且輸送帶的彈性模量越大，功率不平衡越嚴重，因此一般選用彈性模量較小的鋼絲繩芯輸送帶。

(2) 兩驅動滾筒直徑偏差造成相應電機功率不平衡，直徑越小，輸出功率越大。

(3) 相同型號驅動裝置的機械特性也不可能完全相同，機械特性硬度越大，輸出功率越大。

3 電機功率分配方式

對于由首尾兩臺電機驅動的帶式輸送機，為保證電機負荷均勻，應按各電機的額定功率比例對外負載功率進行合理分配，具體如下：

W1∶W2=W1e∶W2e.

其中：W1、W2為兩電機的實際輸出功率，kW；W1e、W2e為兩電機的額定輸出功率，kW。

另外，首、尾電機的實際輸出功率之和即為外負載功率，因此：

Wg=W1+W2.

其中：Wg為外負載功率，kW。

由此可知，當按電機的額定功率之比進行外負載功率分配時，兩電機的實際輸出功率分別表示如下：

1-拉緊滾筒；2-拉緊配重；3-改向滾筒；4-機頭傳動部；5-托輥；6-給料裝置；7-機尾傳動部；8-輸送帶

4 電機功率平衡控制技術

電機的輸出功率Wg可表示如下：

其中：U為輸入電壓，V；I為輸入電流，A；η為電機機械傳動效率；cosθ為額定功率因數。

對于帶式輸送機電機，參數U、η、cosθ一般保持不變，因此，通過檢測輸入電流I的大小，就可對電機的輸出功率Wg進行計算。另外，由于I與Wg呈正比例關系，因此，可將電流I作為輸出功率Wg的反映指標。以首、尾兩電機檢測電流的平均值作為參考基準，然后將各電機的檢測電流與此進行對比，可知相應電機電流(或輸出功率)與基準值的偏離程度，具體如下：

其中：Ip為基準電流值，A；I1、I2分別為首、尾電機的檢測電流，A。

則兩臺電機的電流偏差值A1、A2分別計算如下：

相應帶式輸送機的電機功率不平衡度δ計算如下：

對于具備軟啟動功能的帶式輸送機，其輸出功率調節采用液體黏性軟啟動裝置，該裝置可通過調節軟啟動裝置液壓系統的輸出油壓來對電機的輸出功率進行無極調節。壓力增大時，輸出扭矩減小；反之，輸出扭矩增大。通過監測電機電流的偏差來決定是否需要對電機的輸出扭矩進行調節以及調節幅度。

電機功率平衡調節流程如圖2所示，利用電流互感器對兩電機的電流I1、I2進行檢測，然后計算基準電流Ip和A1、A2。當電流偏差值|Ai|>5%(i=1,2)時，判定相應位置的電機存在功率不平衡現象，需對該電機軟啟動裝置的油壓進行調節；當電流偏差值|Ai|≤5%(i=1,2)，認為電機當前處于功率平衡狀態，不需要調節。以上控制過程，利用模糊PID控制器實現，將油壓調節信號發送至電液比例伺服閥，即可實現對油壓和電機輸出功率的調節。另外，在帶式輸送機工作過程中，外負載功率基本不變，因此，在增大或減小一臺電機的輸出功率后，另一臺電機的輸出功率變化趨勢相反。

圖2 電機功率平衡調節流程

5 功率平衡效果評價與提升

5.1 功率平衡模擬仿真

為驗證以上功率平衡方案的可行性，采用AMESim和MATLAB/Simulink建立聯合仿真模型，其中，軟啟動控制裝置及帶式輸送機模型在AMESim中搭建。總模擬時間設置為60 s，軟啟動時間約20 s左右，為進一步對功率平衡的效果進行對比分析，在設備啟動40 s后加載功率平衡模塊，仿真結果如圖3所示。

由圖3可看出：在液體黏性軟啟動裝置保護下，兩臺電機均平穩啟動，過程無沖擊，超調量較小，但隨著啟動時間延長，功率不平衡現象逐漸明顯；在20 s～40 s內，由于未加載功率平衡模塊，兩電機出現了嚴重的功率不平衡現象，不平衡度達到24%；在40 s時，開始加載功率平衡模塊，約5 s后，兩電機的檢測電流值已基本一致，電機功率不平衡度下降至2.5%，此時已實現功率平衡目標。上述模擬試驗表明本文所述功率平衡技術方案效果明顯。

圖3 功率平衡仿真效果

5.2 功率平衡效果提升

帶式輸送機啟動過程中，對于由外負載大小差異引起的機頭和機尾功率不平衡現象，可采用按時間差順序啟動電機予以解決，即機頭電機先啟動，機尾電機后啟動。此時，電機的啟動時間差是功率平衡效果的重要影響因素。在模擬試驗中，將啟動時間差分別設置為1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s，穩定運行后的功率不平衡度仿真結果如圖4所示。結果表明，隨著電機啟動時間差的延長，功率不平衡度先減小后增大，在2.5 s時達到最小，僅為2.2%。

圖4 不同電機啟動時間差的功率不平衡度仿真結果

6 結語

長距離、大功率帶式輸送機是重要的煤炭運輸設備，針對其中各電機的功率平衡問題，本文首先對功率不平衡的引發因素進行了分析，然后以雙電機帶式輸送機為例，提出了具體的功率平衡目標，并對功率平衡的詳細技術方案進行了研究，最后，利用聯合仿真軟件，對方案的實際效果進行了分析評價，并對電機順序啟動的時間差進行了優化，進一步提高了功率平衡的效果。