選煤廠刮板輸送機功率平衡控制及仿真分析

王建偉

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

刮板輸送機廣泛應用于煤礦、選煤廠等場合。在煤礦生產中，其與液壓支架、采煤機稱為綜采工作面的“三機”，在選煤廠其為主要運輸設備。隨著選煤廠生產能力的提升，刮板輸送機從單電機驅動逐漸變為多電機驅動。對于多電機驅動的刮板輸送機，在實際生產中由于其負荷處于動態變化的情況，易導致其運行電流過大，進而導致設備停機；除此之外，刮板輸送機的各個電機功率不平衡不僅會對設備電機造成損傷，而且會導致刮板鏈斷裂[1]。本文重點對刮板輸送機的功率平衡進行控制，并對控制效果進行仿真分析。

1 刮板輸送機電機的變頻控制

刮板輸送機電機屬于三相異步電動機，在實際生產中由于運輸負荷的增加導致電機的耗能增加、電流值增加。同時，由于選煤廠運行環境相對惡劣在實際生產中存在頻繁啟動的情況，在重載情況下啟動極易對刮板輸送機電機及相關機械部件造成沖擊，從而影響刮板輸送機的運輸效率。軟啟動控制為區別于刮板輸送機傳統的控制方式，其能夠對電機及相關機械部件進行保護，而且還具有節約電能的效果。但是，簡單的軟啟動方式無法解決多電機驅動刮板輸送機電機功率不平衡的問題[2]。因此，擬通過變頻控制實現對刮板輸送機的功率平衡控制。

1.1 變頻調速原理

對于多電機驅動的刮板輸送機而言，在實際生產中由于設備的負載處于動態變化狀態以及刮板輸送機結構參數發生變化等均會導致刮板輸送機電機功率出現不平衡，導致刮板輸送機電機功率不平衡的主要因素為負載變化。所謂變頻調速指的是，通過變頻器對刮板輸送機電機的運行頻率進行控制，從而實現調速的目的。具體如式（1）所示：

式中：n0為刮板輸送機電機的轉速；f1為刮板輸送機電機的頻率；p為刮板輸送機電機的極對數。

可適用于刮板輸送機變頻調速控制的方式包括有V/F控制、矢量控制以及直接轉矩控制。V/F控制本身的精度不高，無法保證其適用于刮板輸送機的控制；矢量控制方式無法根絕外部信號對電機轉矩進行精準控制；直接轉矩控制方式可應用于重載啟動設備、負載動態變化的設備，且其控制精度也可控制在2%左右。因此，選用直接轉矩控制方式對刮板輸送機進行變頻調速控制基本是可行的[3]。

1.2 直接轉矩控制方式應用于刮板輸送機變頻調速的可行性驗證

本節基于AMESim建立直接轉矩控制的刮板輸送機變頻調速模型，通過仿真驗證刮板輸送機變頻調速控制采用直接轉矩控制的可行性和控制效果。所建立的基于直接轉矩控制模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機直接轉矩控制模型

根據刮板輸送機電機的主要技術參數對圖1中的對應子項進行設計，分別對刮板輸送機電機定子磁鏈的軌跡和電機轉速進行仿真分析，設定仿真結果5 s，所得的仿真結論如下頁圖2所示。

圖2 仿真結果

如下頁圖2所示，基于直接轉矩控制下刮板輸送機電機的定子磁鏈軌跡接近為圓形，說明直接轉矩控制方式能夠有效對其定子磁鏈的軌跡進行控制，具有較好的控制效果；同時，基于直接轉矩控制方式電機轉速在1 s內平穩上升至其額定轉速1 450 r/min。

綜上，直接轉矩控制方式對刮板輸送機進行變頻調速控制效果良好，適用性較高[4]。

2 刮板輸送機電機功率平衡控制系統設計及仿真驗證

2.1 刮板輸送機電機功率平衡控制系統設計

為提升選煤廠的生產能力，勢必需要提升刮板輸送機的運量，傳統單電機驅動方式無法滿足大運量的運輸要求。對于多電機驅動刮板輸送機而言，由于負載變化頻繁且運輸距離較長出現功率不平衡問題；當刮板輸送機功率不平衡問題嚴重時極易導致出現刮板鏈斷裂的事故，最終影響整個運輸效果。所謂刮板輸送機功率平衡控制指的是基于有效的控制策略將刮板輸送機各個電機功率的差值控制在合理范圍之內，避免其中某一個或多個電機過載或者欠載的情況出現。

基于直接轉矩控制的刮板輸送機功率平衡控制系統的關鍵結構如圖3所示。

圖3 刮板輸送機功率平衡控制系統

如圖3所示，刮板輸送機功率平衡控制系統主要由PLC控制器、基于直接轉矩控制的變頻器、CAN總線等組成。鑒于刮板輸送機的運輸距離較長，為避免長距離運輸所導致的干擾問題，本項目采用CAN通信總線實現信息傳輸。

在實際控制中，功率平衡控制系統通過對機頭、機尾處的負荷進行檢測從而反映電機的電子電流，若出現差異明顯的情況，則根據兩電機的負載轉矩比和理論范圍之內的偏移量分別對機頭和機尾的電機頻率進行控制，從而實現對電機轉速控制的目的，保證兩電機的功率差值處于理論范圍之內。

2.2 刮板輸送機電機功率平衡控制系統仿真驗證

本文所研究刮板輸送機為雙電機驅動的刮板輸送機，兩電機分別位于機頭和機尾兩個位置。在設計初期，設定機頭和機尾電機的功率分配比為2∶1。本文對刮板輸送機實際生產中出現的功率不平衡嚴重的工況下對功率平衡控制系統的控制效果進行驗證。

通過測量可知，刮板輸送機功率不平衡工況下對應機頭電機的電流值為360 A，機尾電機的電流值為160 A；說明此時刮板輸送機機頭和機尾部分的負荷轉矩比為9∶4，與設定的2∶1存在一定的差距。此時，刮板輸送機機頭電機負載轉矩的絕對值為20.4 N·m，對應機尾電機負載轉矩為9.08 N·m。通過功率平衡控制方式對機尾電機轉速進行控制后，得出如圖4所示的仿真結論。

圖4 機尾負載轉矩變化

如圖4所示，在1 s時刮板輸送機功率平衡控制系統介入對應機尾負載轉矩瞬間增大并在3 s后逐漸趨于穩定，并保持在10.3 N·m左右。此時，機頭和機尾電機的功率分配比接近2∶1，說明所設計的功率平衡控制系統有效。

3 結語

刮板輸送機是選煤廠的關鍵運輸設備，隨著選煤廠生產能力的增加，對應刮板輸送機的運量也必須增加，因此傳統單電機驅動無法滿足實際生產要求。針對雙電機驅動的刮板輸送機而言，負載變化經常導致雙電機的功率不平衡，嚴重時導致刮板鏈斷裂。為解決此問題，本文基于直接轉矩的變頻器、PLC控制器和CAN總線完成功率平衡控制系統設計，并經仿真分析得知：所設計功率平衡控制系統能夠在電機出現功率不平衡問題工況下實現對雙電機的功率平衡控制。