關于DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器功率平衡的仿真分析

趙 征

（晉能控股煤業集團南河煤礦，山西 高平 048400）

1 帶式輸送機驅動系統現狀

為了提高帶式輸送機的工作效率，使其能滿足生產需要，研究人員不斷嘗試加寬輸送帶帶寬、提高設備運行速度等方法，但對設備硬件的改造，對提升輸送機效率收效甚微。隨著變頻器技術的不斷發展與應用，使得帶式輸送機的效率得到了極大提高，尤其是中高壓超大容量變頻器的出現，使帶式輸送機逐步向高速、重載、精準控制等方向發展[1]。

目前，帶式輸送機驅動控制系統有了多樣化的發展，如異步電機配減速箱的直驅系統、液力偶合驅動系統、異步電動機配WES 軟驅動控制、變頻器驅動控制等。目前基于PLC 控制器的帶式輸送機變頻驅動控制系統，其結構穩定、抗電網沖擊能力強，在大型的帶式輸送機上應用較多。該驅動控制系統實現了軟啟動與軟停車，對設備起到了較好的保護作用，延長了設備的使用壽命[2]。

2 多電機驅動的功率平衡

隨著帶式輸送驅動控制系統技術的不斷發展與進步，對控制系統的要求也逐漸提高，尤其是目前大型帶式輸送機均采用多臺電機同時驅動，多電機的協同控制對增加輸送機的運量與長度具有重要作用。皮帶輸送機輸送帶具有較大的彈性，也可能存在不同電機差異、驅動滾筒不一致等都可能導致多電機驅動帶式輸送機驅動力不一致的情況，導致電機過載、電能浪費，甚至可能出現有的電機過載導致設備燒毀。

帶式輸送機工作主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力傳遞載荷，對于皮帶而言摩擦力即是牽引力，但如果皮帶與滾筒之間產生滑動，摩擦力則可能減小。因此多電機驅動控制系統便需要控制電機的輸出功率，避免皮帶打滑。功率的平衡包括根據皮帶上負載調節電動機的輸出功率，保障皮帶對貨物的有效運輸，同時避免皮帶打滑[3]。

3 變頻驅動系統的設計

3.1 變頻器工作原理

變頻器可分為交流變頻與直流變頻兩類，交流變頻器使用范圍較窄，在此不再贅述。直流變頻器的工作原理是利用整流設備，將交流電轉變為直流電，直流電則可通過改變電源的頻率實現對電機輸出功率的條件。

3.2 變頻驅動單元

帶式輸送在啟動或停車過程中對變頻控制器要求較高，根據項目需求選擇了德國西門子的矢量變頻控制器MMST-BJ 型變頻器，該變頻器驅動單元主要由10 kV 電網、斷路器、變壓器、變頻器等結構組成。該型變頻器驅動系統采用了三電平、智能控制、矢量控制等技術，與之匹配的三向異步電機額定容量為5.2 MVA，設備的額定電壓是3.6 kV。該變頻驅動控制器具有啟動電流小、啟動時間可設定等特點，對于保護設備、減小機械結構之間的沖擊具有重要作用[4]。

3.3 驅動單元的主要設備

驅動單元結構中穩流器選擇型號為9CSE80AA1，其電源額定電壓為2×3-ph1.2kV AC；變頻器整流器型號為SIMOV-ST，將兩個不可控橋式二極管分別連接到三相繞組的低壓電網上，從而形成一個穩定可靠的12 脈沖低壓電源。逆變器由HS-IMJS 二極管、續流二級管和中點二級管構成，利用二極管單相流動的特性，保障二極管上的電壓均勻分配。

4 Matlab 仿真模型

基于Matlab 建立帶式輸送機多電機驅動下的變頻器功率平衡分析模型，MATLAB 是由Math Works 公司研制開發一種強大的數學分析計算軟件，具有較強的矩陣計算能力、圖像處理、分析高效，具有許多分析模塊，可靠的分析工具。Matlab 其中包含Simulink 分析模塊，該模塊具有較強的仿真分析能力，是實現動態系統仿真分析的一個集成式的通用平臺，可根據需求搭建仿真模型。

根據DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器原理構建一個主回路，兩個從回路的仿真模型。回路采用閉環式矢量控制，外部控制器通過主回路、從回路按驅動系統的運動方程計算驅動電機的輸出值，主、從機轉矩計算模塊根據電動機在電磁轉矩方程計算而得，從而實現對不同驅動電機輸出功率的控制[5]。

5 仿真分析結果

5.1 帶式輸送機的啟動仿真

為了模擬帶式輸送機驅動電機啟動特征，選擇三臺驅動電機中的一臺進行仿真分析，此時選擇具有轉速閉環控制系統的1 號驅動電機。仿真分析該電機在啟動過程中，傳輸皮帶的力學特征，在t=0 s時，設定帶式輸送機的驅動電機轉速為100 r/min，t=0.5 s 時，驅動電機轉速設定為960 r/min，模擬分析帶式輸送機啟動動態仿真，圖1 為在模擬啟動過程中驅動電機的轉矩以及速度隨時間波動變化情況[6]。

根據圖1 可知，帶式輸送機啟動實現了“S 形曲線”啟動，即在帶式輸送機啟動過程中只對速度進行兩次設定即可實現帶式輸送機的軟啟動，在實際應用中帶式輸送機的軟啟動，既可降低對設備的沖擊，延長其使用壽命，又可以降低設備能耗，對提高經濟效益具有重要作用。

圖1 帶式輸送機啟動過程動態仿真曲線

5.2 帶式輸送機的功率平衡仿真

分析帶式輸送機不同驅動電機在輸送機不同狀態下的驅動電機之間協同關系，在此選擇分析帶式輸送機的主驅動電機和兩個從驅動電機在動態載荷作用下，三臺驅動電機輸出轉矩之間的關系。在模型構建時設置變頻器、電動機等設備的參數與實際系統保持一致。帶式輸送機在t=0 s，開始施加負載轉矩T=400 N·m；t=1 s 時，將輸送機負載轉矩設置為600 N·m。圖2 為三臺驅動電機輸出轉矩隨時間變化曲線。

圖2 三臺驅動電機輸出轉矩變化情況

根據帶式輸送機的功率平衡仿真分析結果，三臺驅動電機的輸出扭矩基本一致，無論是在剛啟動瞬間，還是中途增加輸送機負載扭矩的情況下，主動電機的輸出扭矩與從動電機的輸出扭矩基本維持在1∶1 左右，即可視為多電機驅動變頻器實現了良好的功率平衡問題，說明該變頻驅動控制系統具有較好的調控能力。

根據DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器結構建立Matlab 動態仿真模型，分別對帶式輸送機啟動特性與對電機輸出功率平衡問題進行了仿真分析，仿真結果表明該系統具有良好的緩啟動功能，同時對多電機的輸出功率控制具有很好的控制能力。

6 結論

帶式輸送機多電機之間的協同控制，有助于提高設備的工作效率、降低使用成本，因此對多電機驅動控制系統的設計與研究具有重要意義。基于現有的DTC80 型多電機驅動的帶式輸送機變頻驅動控制系統的結構設計，利用Matlab 構建其動態仿真分析模型，分析研究該型帶式輸送機的啟動特性與動態特性。仿真分析結果表明，該驅動控制系統可達到設計的驅動控制要求，驅動電機在變頻驅動控制器的控制下可實現S 形曲線啟動，即可緩啟動；同時根據驅動控制系統動態仿真分析可知，驅動控制系統對各電機輸出轉矩控制較好，對主、從驅動電機之間的輸出基本實現了1∶1。該仿真系統分析成功對研究驅動控制系統性能具有重要參考，對于提高帶式輸送機結構設計具有重要作用。