礦用多驅動帶式輸送機功率平衡控制技術研究

摘要：為實現對現對輸送機功率的平衡化處理，開展礦用多驅動帶式輸送機功率平衡控制方法的設計研究。多驅動條件下電動機運行功率，與其機械運行效率、電動機驅動角速度等參數具有直接關聯，可結合輸送機的運行原理調節輸送機電機臨界轉速。將電動機的運行角速度作為參照以提取機械運行特性，合理分配多驅動帶式輸送機滾筒牽引力。將外部控制器集成于主回路上，建立主回路與電動機、矩陣計算模塊之間的連接，通過對雙機功率平衡的分配，最后完成功率控制方案的設計。選擇某大型礦產單位作為實例應用單位，實驗結果證明：設計的方法在實際應用中的效果良好，可以實現對輸送機功率的平衡化處理，保證輸送機在運行中主電動機與從電動機轉速與輸出電流具有高度一致性。

關鍵詞：礦用；多驅動；帶式輸送機；功率平衡；控制技術

0" "引言

隨著礦業工程工業化生產中機械化技術與自動化技術的大量運用，帶式輸送機在作業中所需要運輸的距離也越來越長。相比傳統的輸送機，現有的多驅動帶式輸送機具有體積小型化、操作便捷化以及運維低成本化等優勢，目前已基本實現了在礦山工程中的廣泛使用。

多驅動帶式結構的輸送機，是使用多個單元驅動機作為驅動單元，以此帶動機械的牽引作業，從而確保傳輸工作可以滿足總功率要求[1]。此種類型的輸送機由于驅動機構存在外形、單元方面的特性差異，會在使用中出現驅動傳輸受力不均勻的情況，不僅影響輸送機的運行功率，還會造成輸送機出現功率失衡等問題。

為了降低礦山工程輸送作業中機械事故的發生及提高輸送機運行效率，本文通過優化輸送機的運行與作業模式，設計一種全新的功率平衡控制方法，旨在發揮礦用機械設備在使用中的價值與效能[2]。

1" "調節輸送機電機臨界轉速

多驅動能力的帶式輸送系統結構包含驅動裝置、皮帶、托輥以及換向滾筒等。在皮帶運行過程中，為皮帶提供摩擦牽引力的是驅動裝置，一般會在驅動滾筒外面包裹具有高摩擦因數的彈性材料，以增加驅動裝置與皮帶之間的摩擦力。皮帶是承載負荷的主要裝置，增設滾筒裝置在皮帶下方，從而為皮帶提供支撐力，使皮帶運輸物料的能力增強，然后由換向裝置提升皮帶的拉進性能，保持輸送機的平穩運行。

為了實現對輸送機在運行中輸出功率的平衡控制，應結合輸送機運行原理，明確機械在運行中不同參數之間的關系，以此為依據調節輸送機電機臨界轉速[3]。考慮到輸送機的主要驅動機構為電動機，而多驅動條件下的電動機運行功率與其機械運行效率、電動機驅動角速度等參數具有直接關聯。輸送機電機運行輸出功率的計算公式如下：

（1）

公式（1）中：P表示輸送機電機運行輸出功率；T2表示電機運行輸出轉矩；wd表示電機運行角速度；η表示機械運行效率。在此基礎上，考慮到輸送機在運行中，驅動電機的角速度與電動機的運行轉速兩者呈現正比例關系，則有如下計算公式。

（2）

公式（2）中：nd表示礦用多驅動帶式輸送機中電動機運行轉速。根據電動機在運行中的電動特性，描述其運行中輸出轉矩、轉差率與運行中最大轉矩之間的關系如下：

（3）

公式（3）中：Tmax表示最大轉矩；s表示轉差率；Sm表示臨界轉差率；S表示平均轉差率。按照上述方法，可以得到輸送機電機在運行中驅動裝置臨界轉速與轉差率之間的關系[4]如下：

（4）

公式（4）中：n0表示電動機運行同步轉速；nm表示輸送機電機臨界轉速。綜合公式（1）至公式（4）可知，輸送機的運行與其驅動電機具有較為直接的關系，為滿足其功率在運行中的平衡性需求，可將可調參數，即電動機運行轉速作為控制變量，根據輸送機的現場作業條件，設計在臨界運行狀態下的轉速值。

2" "多驅動帶式輸送機滾筒牽引力分配

在上述設計內容的基礎上，為實現對輸送機功率的平衡處理，還應根據機械運行需求，合理分配多驅動帶式輸送機滾筒牽引力[5]。分配過程中，考慮到礦用機械設備的運行具有一定通用性，因此在正常作業條件下，多驅動傳輸機滾筒在皮帶上相同的速度是相同的。據此可以將電動機的運行角速度作為參照，在其正常工作點附近提取機械運行特性。同時，設置輸送機運行驅動常數，計算多驅動帶式輸送機滾筒牽引力[6]。其計算公式如下。

（5）

公式（5）中：F表示多驅動帶式輸送機滾筒牽引力；f表示總牽引作用力；R1、R2表示相遇點速度；A1、A2表示輸送機運行驅動常數；F1、F2表示牽引阻力。

通過上述計算公式，得到礦用多驅動帶式輸送機在運行中總牽引力與各個傳輸機構所需的牽引力，采用差值計算的方式，分析不同機構之間的牽引力差值，并通過調節牽引阻力的方式，實現對礦用多驅動帶式輸送機滾筒牽引力的分配。

3" "雙機功率平衡分配與控制方案

本次試驗對多驅動帶式輸送機功率平衡控制系統進行設計，主要有電管隔離模板、變頻器以及相對應的電機組成電機控制部分。為了使控制系統的人機交互性增加，在該系統中增加顯示模塊。在進行功率平衡系統運行過程中，電機電流的采集工作由電流變送器完成，并將采集的電流進行A/D 轉換，讓其在 PLC 的輸入端口輸入。PLC 會對數字量進行邏輯分析，對電機的輸出率進行判斷，然后控制電機的轉速，通過調整輸出頻率，從而實現輸出功率平衡。

完成上述研究后，設計雙機功率平衡分配與控制方案[7]。控制過程中，將外部控制器集成在主回路上，建立主回路與電動機、矩陣計算模塊之間的連接，對輸送機雙機功率進行普拉斯變換，此過程計算公式如下：

（6）

公式（6）中：w表示輸送機雙機功率的普拉斯變換；TL（u）表示電動機負載轉矩；J1、J2、Jt表示雙機功率電動機的轉子轉動慣量與負載慣量。

平衡分配過程中，按照主從協同控制原理，采用速度閉環控制的方式控制整體回路速度[8]。同時，使用速度調節器將ASR輸出值作為主電動機轉矩的給定值，通過對給定值的調節，實現對主電動機與從電動機雙機功率平衡分配與控制，具體包括以下三種方法。

一是轉速-電流平衡方法。通過對電流信息及電機轉速信息進行采集，根據數據采集情況對各個電機的輸出功率進行分析，實現合理調整各電機有輸出功率。

二是電流控制平衡方法。通過采集驅動電機電流數值，再根據比較結果對各個電機的輸出功率進行調整，從而保證電機的協調工作。

三是轉速-轉矩平衡方法。不同功率輸出的電機轉矩在運行中存在差異，可通過該特性對電機功率進行合理調整，進而使多電機功率平衡得以實現。

4" "實例應用分析

完成功率平衡控制方法的設計后，為實現對此方法在實際中應用效果的檢驗，選擇某大型礦產單位作為實驗單位。多年以來，此礦產單位已經投入使用了多個輸送機負責作業現場開采的輸送，近年也購置了多驅動帶式輸送機輔助工程現場作業。由于多驅動帶式輸送機在運行中存在功率輸出不平衡的問題，導致輸送機在運輸工作中效率不高。為解決此方面問題，決定使用本文設計的技術，控制輸送機功率。根據此單位的機械投產現狀，獲取與此輸送機相關的參數信息，具體內容如表1所示。

完成上述研究后，按照本文設計的步驟，平衡控制多驅動帶式輸送機運行功率。采集多驅動帶式輸送機在運行中的主電動機與從電動機電流階段性輸出數據，如圖1所示。

圖1中，實線表示主電動機電流輸出情況；虛線表示從電動機電流輸出情況。當主電動機與從電動機電流輸出穩定為150A時，帶式輸送機運行功率達到平衡狀態。

根據圖1中兩條曲線的變化趨勢可以看出，現階段，帶式輸送機的運行存在較為明顯的功率不平衡現象。在使用本文方法控制其功率時，需要先調節輸送機電機臨界轉速，根據機械運行中不同參數的關系，分配多驅動帶式輸送機滾筒牽引力。在此基礎上，設計雙機功率平衡分配與控制方案，以此完成對輸送機運輸功率的平衡控制。

然后按照上述步驟，采集帶式輸送機主電動機與從電動機電流信息，繪制輸出電流波形圖，如圖2所示。圖2中，實線與虛線表示含義與圖1相同。從上述圖2所示的控制結果可以看出，控制后5s，帶式輸送機主、從電動機電流輸出值穩定在150A，此時多驅動帶式輸送機運行功率達到平衡狀態。

在此基礎上，統計多驅動帶式輸送機在控制后的主電動機與從電動機電流在不同時刻下的運行轉速，將其作為檢驗功率平衡控制效果的最終指標。統計實驗結果如表2所示。

根據表2所示的實驗結果可以看出，主電動機運行轉速與從電動機運行轉速差值在±3r/min范圍內，說明帶式輸送機主、從電動機的運行速度基本保持一致，即輸出功率基本相同。

在完成上述測試后，根據圖2與表2所示的實驗結果，得出如下實驗結論：本文設計的帶式輸送機功率平衡方法，在實際應用中的效果良好，可以實現對輸送機功率的平衡化處理，保證輸送機在運行中主電動機與從電動機轉速與輸出電流具有高度一致性。

5" "結語

為滿足礦山工程實際作業需求，提高多驅動帶式輸送機在運行中輸出功率的平衡性，本文從調節輸送機電機臨界轉速、多驅動帶式輸送機滾筒牽引力分配、雙機功率平衡分配與控制方案三個方面，完成了功率平衡控制方法的設計。采用該方法完成設計后，通過實踐檢驗證明了其可以起到平衡輸出功率的效果，提高了機械運行效率。

參考文獻

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