長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真研究

申亞偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機(jī)作為煤礦開采中主要的煤炭運(yùn)輸設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用在煤炭開采作業(yè)的各種原煤運(yùn)輸場(chǎng)所，是煤礦運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備。當(dāng)前國(guó)外的帶式運(yùn)輸機(jī)帶速一般在7～12 m/s，最高達(dá)15 m/s，最長(zhǎng)運(yùn)輸距離已達(dá)到30.4 km，國(guó)內(nèi)大部分的帶式運(yùn)輸機(jī)速度在2～3.15 m，最大帶速不超過(guò)4.5 m/s，最長(zhǎng)單機(jī)運(yùn)輸距離僅10 km，遠(yuǎn)不及國(guó)外水平，而我國(guó)煤炭開采業(yè)也在迅速地向高產(chǎn)高效的方向發(fā)展，因此高帶速、長(zhǎng)距離、大運(yùn)量是帶式運(yùn)輸機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)特性分析

1.1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)是以輸送帶為承載機(jī)構(gòu)進(jìn)行礦物輸送的，主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、支架、托輥等構(gòu)成。帶式輸送機(jī)是利用輸送帶和驅(qū)動(dòng)滾筒間的摩擦阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送帶的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)礦物的運(yùn)輸[1]。在煤炭開采中，原煤運(yùn)輸起點(diǎn)到存放點(diǎn)一般距離較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生，在長(zhǎng)距離帶式運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)中，一般采用多電機(jī)分點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行控制。

1.2 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題分析

多電機(jī)分點(diǎn)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)時(shí)，認(rèn)為每個(gè)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速等相同，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于設(shè)計(jì)、制造等各種誤差，使得每個(gè)電機(jī)實(shí)際輸出并不相等，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)與負(fù)載分配不匹配[2]，使得設(shè)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(jī)的輸出平衡，使輸送帶的張力保持在規(guī)定范圍內(nèi)，使系統(tǒng)平穩(wěn)啟動(dòng)運(yùn)行，有非常重要的意義。文章就該問(wèn)題進(jìn)行分析研究，從而設(shè)計(jì)有效保證輸送機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的控制系統(tǒng)。

2 帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

2.1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)布局方案

山西某煤礦現(xiàn)用帶式輸送機(jī)輸送帶長(zhǎng)6 km，采用多電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，原有的恒壓頻控制方式實(shí)際應(yīng)用中存在運(yùn)行不平穩(wěn)的現(xiàn)象，以該輸送機(jī)為研究對(duì)象，用等距法設(shè)置3 個(gè)驅(qū)動(dòng)在輸送機(jī)的頭部、中部和尾部3 個(gè)位置，驅(qū)動(dòng)布局見(jiàn)圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)多電機(jī)多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)布局圖

2.2 控制方式的選擇

采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻方式來(lái)控制，通過(guò)反饋電機(jī)的定子的電壓和電流，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得出電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的磁鏈值和轉(zhuǎn)矩值，將其與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，得到合適的控制信號(hào)，從而控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

3 帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的仿真研究

3.1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)模型的建立

以山西某煤礦現(xiàn)用帶式輸送機(jī)原型建立模型。輸送機(jī)具體參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。

表1 帶式輸送機(jī)建模參數(shù)表

將輸送帶以50 m 為一個(gè)單元分解為多個(gè)子單元，一個(gè)子單元為一個(gè)模塊，串聯(lián)多個(gè)模塊并與輸送機(jī)上的其他結(jié)構(gòu)連接，獲得帶式輸送機(jī)整體模型。利用AMESim 軟件建立帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的仿真模型。建立模型時(shí)，視滾筒為剛性體，假設(shè)托輥質(zhì)量平均附加于輸送帶上，假設(shè)運(yùn)行中的阻力也是均勻附加在輸送帶上的[3]，將輸送機(jī)分為輸送帶、驅(qū)動(dòng)、減速器、張緊四個(gè)模塊建模。

3.2 聯(lián)合仿真模型建立

采用閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩變頻控制技術(shù)控制帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，結(jié)合前文布局說(shuō)明，針對(duì)多電機(jī)分點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，利用VC++聯(lián)合軟件AMESim 和Simulink 為一個(gè)仿真平臺(tái)，對(duì)所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析。在AMESim 軟件中建立輸送機(jī)模型，并將其中的物理信號(hào)反饋給Simulink 中建立的直接轉(zhuǎn)矩變頻控制器里，信號(hào)經(jīng)控制器處理生成控制信號(hào)輸入到AMESim 模型中，控制輸送機(jī)模型的運(yùn)行狀態(tài)[4]。圖2 為Simulink 中建立的直接轉(zhuǎn)矩變頻控制器的仿真模型，控制器參數(shù)磁鏈給定值為0.95 Wb/ 匝，磁鏈滯環(huán)范圍為[-0.001，0.001]，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍為[-0.1，0.1]。

圖2 帶式輸送機(jī)控制器模型圖

3.3 仿真結(jié)果

為準(zhǔn)確研究文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，選擇帶式輸送機(jī)上機(jī)頭、機(jī)尾以及中間每1 km 距離處，和動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，分析其速度和轉(zhuǎn)矩等特性。如圖3所示為輸送機(jī)速度、加速度、張力曲線圖。分析可知：

圖3 帶式輸送機(jī)仿真結(jié)果曲線圖

1）分析速度曲線，前50 s，輸送機(jī)速度從機(jī)頭至機(jī)尾有短暫波動(dòng)，由頭至尾呈遞減趨勢(shì)，最大波動(dòng)速度為0.8 m/s，原來(lái)最大波動(dòng)速度有0.85 m/s，波動(dòng)時(shí)間僅有10 s。50 s 后進(jìn)入S 形加速啟動(dòng)階段，該階段輸送帶各處速度沒(méi)有明顯波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，加速完成進(jìn)入運(yùn)行階段后，輸送帶各處速度仍保持平穩(wěn)。

2）分析加速度曲線，在前50 s 張緊階段，各處加速度有波動(dòng)，10 s 后波動(dòng)基本消失，在系統(tǒng)加速階段，加速度正常變化，基本平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)，系統(tǒng)勻速運(yùn)行階段，各處加速度為0，輸送機(jī)運(yùn)行平穩(wěn).

3）分析張力曲線，在系統(tǒng)啟動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)行階段，張力從機(jī)頭至機(jī)尾遞減，機(jī)頭處最大張力約65 kN，穩(wěn)定運(yùn)行階段，輸送機(jī)各點(diǎn)張力大致穩(wěn)定，無(wú)太大波動(dòng)。

4 結(jié)論

1）針對(duì)長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的啟動(dòng)運(yùn)行不平穩(wěn)問(wèn)題，提出采用閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩變頻控制方案控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

2）以山西某煤礦現(xiàn)用帶式輸送機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)多電機(jī)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明，利用AMESim 軟件對(duì)系統(tǒng)建模，進(jìn)而聯(lián)合AMESim 和Simulink 軟件進(jìn)行控制器和系統(tǒng)的聯(lián)合建模并仿真；

3）分析仿真結(jié)果，可知文章設(shè)計(jì)的控制方案有效改善了輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中速度、加速度波動(dòng)情況，最大張力也有所控制，且穩(wěn)定運(yùn)行階段，速度、張力也相對(duì)平穩(wěn)，輸送機(jī)性能得到優(yōu)化。