帶式輸送機驅動系統的仿真模擬研究

李永紅

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 太原 030203）

引言

帶式輸送機承擔著煤礦中散裝物料的主要輸送任務，帶式輸送機主要是由皮帶、驅動裝置、張緊裝置、機架和托輥等組成。帶式輸送機主要的工作原理是依據摩擦力來進行運動，電機轉動系統帶動驅動輥筒轉動，利用皮帶和輥筒的表面摩擦力使得皮帶開始轉動。同時張緊裝置是皮帶和輥筒摩擦力在要求范圍內的保證。機架和托輥等配套裝置起到支撐皮帶的作用，降低皮帶轉動時自身的阻力。當皮帶運轉時物料降落到帶式輸送機的機尾接料處，通過在皮帶上進行輸送至帶式輸送機的機頭處進行卸料，進而實現對煤炭的輸送。

目前，隨著煤礦開采技術的不斷發展，開采效率不斷提高，帶式輸送機從原來的單機驅動逐漸發展成為了雙機驅動，雙機驅動不僅能夠滿足井下的惡劣環境，而且能夠降低帶式輸送機在運轉過程中的電能的消耗，大大減小了其機架的整體尺寸。目前現有的雙機驅動系統的帶式輸送機存在著許多問題，具體為：啟動電流過大會造成電網的沖擊較大[1-2]；在帶式輸送機工作時電機的輸出功率不穩定，造成保護器的頻繁工作，影響工作效率；電能損耗嚴重，由于煤炭在實際輸送中，運煤量會發生變化，雙機驅動系統的帶式輸送機不能夠實現無級調速，導致在煤量少的情況下仍全額高速運行，浪費電能。

1 多種控制結合的變頻驅動系統

為了改變傳統變頻控制的帶式輸送機存在的問題，在原有的變頻雙機驅動系統上進行改進，采用了一種多種方式相結合的控制方法，使得雙機驅動的帶式輸送機在實際運轉時兩電機的轉速相等，輸出的電磁轉矩相等，其控制方法如圖1 所示。皮帶的轉速與主電機輸出轉速、主電機與從電機這兩方面都做到閉環控制，就可以實現轉速的同步控制，這既滿足了帶式輸送機的轉速要求，又實現了主從電機的轉速同步控制。在轉矩方面，主從電機需要與轉速進行運算比較，計算器電得到相應的控制轉矩信號[3-4]。雙機驅動的帶式輸送機的控制原理可通過以下公式進行分析。

圖1 多種控制相結合的雙電機帶式輸送機控制方法

電機電力拖動公式：

式中：tl為電機負載轉矩；te為電機輸出電磁轉矩；J 為電機轉動慣量；β 為電機角加速度；ωt為電機角速度。

角速度計算公式：

由公式（1）和（2）得出電機的輸出功率計算為：

2 帶式輸送機雙電機驅動仿真

2.1 模型建立

為了驗證帶式輸送機在多種變頻控制結合的驅動系統能否達到功率的平衡，實現變頻調速，通過使用MATLAB/SIMULINK 對多種控制的方式相結合的帶式輸送機進行仿真分析驗證其是否能夠達到預想狀態。仿真模型采用的電機額定功率均為50 kW，額定電壓為1 140 V。仿真時間設定為10 s，采樣的周期為1×10-5s，兩臺驅動電機的其他參數均設置為相同，帶式輸送機驅動系統給定的轉矩在0～5 s 時轉矩為0，在5～10 s 中給定的轉矩為1 000 N·m。轉速的給定在0～2.5 s 時為400 r/min，在2.5～5 s 時為1 300 r/min，5～7.5 s 時 為1 300 r/min，7.5～10 s 時 為800 r/min。雙機驅動系統的仿真圖如圖2 所示。

圖2 雙電機驅動系統的仿真圖

2.2 仿真結果及分析

仿真結果見圖3，分別得到了兩電機的電流。

圖3 主、從電機A 相定子電流波形圖

通過對電流波形圖進行分析能夠發現，電機在0.2 s 之前啟動電流很大，為了保證在啟動時電流的沖擊設置有限流環節，保護電機。驅動系統兩次加速階段分別位于0.2～0.6 s 與2.5～3.5 s 這兩次加速階段的波形圖上能夠看出，兩個驅動電機的轉矩和轉速是基本同步的。剩下的階段為穩定運行階段，穩定運行階段的兩臺驅動電機的轉速、轉矩也達到了相等，實現了雙擊驅動帶式輸送機的同步控制[5]。

從整個系統的仿真結果來看，通過多種控制方式的變頻組合后的效果，不論是帶式輸送機處于變載還是變速情況下，都能夠實現雙電機的同步控制、無級調速，啟動電流以及加速電流等保持在要求的范圍內。

3 結語

首先對雙電機帶式輸送機的結構進行了闡述，提出了實現主從電機轉速相同的控制方法以及輸出轉矩相等的控制方法。主電機的實際轉速和給定的系統設定的轉速、從電機的實際轉速與主電機的轉速這兩個部分均實現閉環控制，實現了雙閉環控制下的雙電機的轉速同步，也能夠達到系統給定的轉速，對主電機進行補償轉矩，實現主從電機的電磁轉矩相等。最后利用MATLAB/SIMULINK 對改進后的驅動控制系統進行仿真模擬，結果表明，不論是穩定狀態還是加速減速情況下，雙電機驅動的帶式輸送機均能夠達到主從電機的轉速同步控制和輸出功率的平衡，為雙電機帶式輸送機今后的發展提供一定的指導作用和理論依據。