長距離帶式輸送機多電機驅動控制系統的仿真研究

申亞偉

（晉能控股煤業集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機作為煤礦開采中主要的煤炭運輸設備，被廣泛地應用在煤炭開采作業的各種原煤運輸場所，是煤礦運輸的核心設備。當前國外的帶式運輸機帶速一般在7～12 m/s，最高達15 m/s，最長運輸距離已達到30.4 km，國內大部分的帶式運輸機速度在2～3.15 m，最大帶速不超過4.5 m/s，最長單機運輸距離僅10 km，遠不及國外水平，而我國煤炭開采業也在迅速地向高產高效的方向發展，因此高帶速、長距離、大運量是帶式運輸機發展的必然趨勢。

1 多電機驅動帶式輸送機特性分析

1.1 帶式輸送機結構

帶式輸送機是以輸送帶為承載機構進行礦物輸送的，主要由輸送帶、驅動裝置、支架、托輥等構成。帶式輸送機是利用輸送帶和驅動滾筒間的摩擦阻力來實現輸送帶的運轉，從而實現礦物的運輸[1]。在煤炭開采中，原煤運輸起點到存放點一般距離較長，因此長距離帶式運輸機就應運而生，在長距離帶式運輸機設計中，一般采用多電機分點驅動的方式對帶式運輸機進行控制。

1.2 多電機驅動問題分析

多電機分點驅動長距離帶式輸送機時，認為每個電機的功率、轉速等相同，但在實際運行中，由于設計、制造等各種誤差，使得每個電機實際輸出并不相等，會導致電機與負載分配不匹配[2]，使得設備不能正常工作或損壞，甚至有可能造成事故，因此控制電機的輸出平衡，使輸送帶的張力保持在規定范圍內，使系統平穩啟動運行，有非常重要的意義。文章就該問題進行分析研究，從而設計有效保證輸送機平穩啟動的控制系統。

2 帶式輸送機多電機驅動方案

2.1 多電機驅動布局方案

山西某煤礦現用帶式輸送機輸送帶長6 km，采用多電機多點驅動，原有的恒壓頻控制方式實際應用中存在運行不平穩的現象，以該輸送機為研究對象，用等距法設置3 個驅動在輸送機的頭部、中部和尾部3 個位置，驅動布局見圖1。

圖1 帶式輸送機多電機多點驅動布局圖

2.2 控制方式的選擇

采用多電機驅動系統選擇閉環直接轉矩控制變頻方式來控制，通過反饋電機的定子的電壓和電流，經過計算分析得出電機實際運行的磁鏈值和轉矩值，將其與設計值進行比較，得到合適的控制信號，從而控制電機輸出轉矩。

3 帶式輸送機多電機驅動方案的仿真研究

3.1 帶式輸送機系統模型的建立

以山西某煤礦現用帶式輸送機原型建立模型。輸送機具體參數如下頁表1 所示。

表1 帶式輸送機建模參數表

將輸送帶以50 m 為一個單元分解為多個子單元，一個子單元為一個模塊，串聯多個模塊并與輸送機上的其他結構連接，獲得帶式輸送機整體模型。利用AMESim 軟件建立帶式輸送機系統的仿真模型。建立模型時，視滾筒為剛性體，假設托輥質量平均附加于輸送帶上，假設運行中的阻力也是均勻附加在輸送帶上的[3]，將輸送機分為輸送帶、驅動、減速器、張緊四個模塊建模。

3.2 聯合仿真模型建立

采用閉環直接轉矩變頻控制技術控制帶式輸送機驅動電機，結合前文布局說明，針對多電機分點驅動，利用VC++聯合軟件AMESim 和Simulink 為一個仿真平臺，對所設計方案進行仿真分析。在AMESim 軟件中建立輸送機模型，并將其中的物理信號反饋給Simulink 中建立的直接轉矩變頻控制器里，信號經控制器處理生成控制信號輸入到AMESim 模型中，控制輸送機模型的運行狀態[4]。圖2 為Simulink 中建立的直接轉矩變頻控制器的仿真模型，控制器參數磁鏈給定值為0.95 Wb/ 匝，磁鏈滯環范圍為[-0.001，0.001]，轉矩滯環范圍為[-0.1，0.1]。

圖2 帶式輸送機控制器模型圖

3.3 仿真結果

為準確研究文章設計系統的運行特性，選擇帶式輸送機上機頭、機尾以及中間每1 km 距離處，和動電機為研究對象，分析其速度和轉矩等特性。如圖3所示為輸送機速度、加速度、張力曲線圖。分析可知：

圖3 帶式輸送機仿真結果曲線圖

1）分析速度曲線，前50 s，輸送機速度從機頭至機尾有短暫波動，由頭至尾呈遞減趨勢，最大波動速度為0.8 m/s，原來最大波動速度有0.85 m/s，波動時間僅有10 s。50 s 后進入S 形加速啟動階段，該階段輸送帶各處速度沒有明顯波動，實現無極調速，加速完成進入運行階段后，輸送帶各處速度仍保持平穩。

2）分析加速度曲線，在前50 s 張緊階段，各處加速度有波動，10 s 后波動基本消失，在系統加速階段，加速度正常變化，基本平穩無波動，系統勻速運行階段，各處加速度為0，輸送機運行平穩.

3）分析張力曲線，在系統啟動和平穩運行階段，張力從機頭至機尾遞減，機頭處最大張力約65 kN，穩定運行階段，輸送機各點張力大致穩定，無太大波動。

4 結論

1）針對長距離帶式輸送機多電機驅動控制系統存在的啟動運行不平穩問題，提出采用閉環直接轉矩變頻控制方案控制電機驅動系統；

2）以山西某煤礦現用帶式輸送機為研究對象，對多電機布局進行設計說明，利用AMESim 軟件對系統建模，進而聯合AMESim 和Simulink 軟件進行控制器和系統的聯合建模并仿真；

3）分析仿真結果，可知文章設計的控制方案有效改善了輸送機啟動過程中速度、加速度波動情況，最大張力也有所控制，且穩定運行階段，速度、張力也相對平穩，輸送機性能得到優化。