永磁直驅刮板輸送機功率平衡研究

＊王存國

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司賀西煤礦 山西 033300）

刮板輸送機是采掘作業面最為常用的運輸設備，負責井下運輸工作。隨著先進的采掘設備推廣應用，井下采面煤炭產量以及巷道掘進速度均明顯提升，現場使用的刮板輸送機運輸距離、裝機功率等均不斷增大，對刮板輸送機運行可靠性、穩定性等提出更高的要求[1-2]。刮板輸送機在使用期間負載波動較大，重載運行、啟停等較為普遍，容易導致機頭、機尾電機電流突變、功率不平衡問題，嚴重時會導致電機燒壞、刮板鏈破斷等事故[3-5]。確保刮板輸送機功率平衡，可提高其運行平穩性、減少故障發生率，為此眾多學者對刮板輸送機功率平衡問題進行研究，其中任世鵬[6]針對井下刮板輸送機運行期間兩端電機一側輕載、一側重載問題，提出對電流、電機轉速進行監測，并采用轉矩調速、張力法調節方式實現刮板輸送機功率平衡，模擬仿真結果顯示該功率平衡控制策略有效性較高；趙雪峰[7]針對采面刮板輸送機重載啟動困難、整體運行效率低下以及負載分配不均衡等問題，構建了一種永磁同步變頻一體機驅動方案，并給出變頻控制算法，模擬仿真及工程應用均表明構建的驅動方式提升了刮板輸送機可靠性、實現了多電機功率平衡；盛松梅[8]對多電機驅動刮板輸送機驅動系統進行優化，機頭及機尾電機均接受一臺型號S7-200型PLC控制，通過PLC內置的啟動及控制算法減少重載啟停、運行等對刮板輸送機沖擊，確保機頭及機尾電機電流同步、實現功率平衡。上述研究成果為刮板輸送機多電機驅動功率平衡控制工作開展提供了經驗借鑒。本文在結合前人研究成果技術上，提出通過監測電流實現負載識別，并構建刮板輸送機功率平衡控制方案，以期提升采掘作業面刮板輸送機運行可靠性。

1.刮板輸送機功率平衡系統結構

山西某礦井下3506綜采工作面使用的永磁直驅刮板輸送機布置結構見圖1所示，驅動電機與刮板輸送機鏈輪間直接連接，并通過鏈輪轉動直接帶動刮板鏈移動。機頭及機尾布置的3臺永磁同步電機驅動刮板輸送機運行，其中PMSM1及PMSM2間通過剛性連接并直接帶動鏈輪A轉動；PMSM3直接帶動鏈輪B轉動；鏈輪A及鏈輪B間通過刮板鏈、中部槽等連接。機頭的PMSM1、PMSM2電機以及機尾的PMSM3電機功率、基本參數等均相同。

圖1 刮板輸送機布置結構

結合3506綜采工作面刮板輸送機結構情況，具體構建的功率平衡控制系統架構見圖2所示，機頭采用“一拖二”驅動模式，即2臺電機連接至1臺變頻器，通過變頻器實現機頭2臺電機的運行、調速控制；機尾采用“一拖一”驅動模式，即1臺電機連接至1臺變頻器，通過變頻器實現機尾1臺電機的運行、調速控制。機頭及機尾的變頻器是實現刮板輸送機功率平衡控制的關鍵設備，變頻器獲取的電機運行參數（如輸出電流、運行狀態、錯誤代碼、母線電壓等）通過CANopen通信方式傳輸給PLC，PLC發出的指令（如運行模式、控制指令等）同樣通過CANopen通信方式傳輸給變頻器。

圖2 功率平衡控制系統架構

在保持電壓不變情況下，驅動電機的功率與電流成正相關，研究刮板輸送機功率平衡即研究機頭及機尾電機電流平衡。當刮板輸送機機頭、機尾負載出現變化時，PLC控制器可依據刮板輸送機實際運行狀態調整變頻輸出電流頻率、電流值，從而實現電機轉速調節，以便機頭、機尾電機轉矩差在合理范圍內，避免兩端頭電機出現過載或者欠載情況，實現機頭及機尾電機的功率平衡。

2.功率平衡控制設計

（1）功率平衡控制基本策略。由于刮板輸送機機頭的2部電機采用剛性連接，為此可等效為機頭電機，機頭與機尾電機機械特性相同，通過分別監測機頭、機尾電機電流i1、i2實現機頭及機尾負載變化監測。具體刮板輸送機功率平衡控制基本策略見圖3所示，當某時刻機頭及機尾電機電流i1/i2≠1時，表明此時間點機頭及機尾電機功率不平衡。設定△i=i1-i2，當△i＞0時則表示機頭電機電流大于機尾電機電流，電機功率不平衡且機頭出現過載情況，此時應適當增加機尾電機轉速、提升機尾電機負載；當△i＜0時則表示機頭電機電流小于機尾電機電流，電機功率不平衡且機尾出現過載情況，此時應適當增加機頭電機轉速、提升機頭電機負載。依據監測的機頭及機尾電流調整電機運行狀態，從而實現機頭與機尾電機間功率平衡，同時采用PID控制方式對機頭及機尾電機進行轉矩、轉速調節。

圖3 功率平衡控制基本策略

（2）電機功率分配。在功率平衡控制中采用恒功率控制方式，即確保機頭以及機尾驅動電機總功率不變，依據機頭及機尾電機負載變化調整電機的轉速，進而調節電機轉矩。機頭及機尾3臺電機的額定功率為：

式中，Pei為機頭及機尾電機的額定功率，kW；Tei為電機額定轉矩，N·m；ωei為電機額定轉速，rad/s。由于刮板輸送機機頭及機尾布置的3臺電機機械特征及參數保持一致，因此3臺電機的額定功率相同，則機頭電機1、電機2與機尾電機3間功率分配比為1:1:1，機頭電機與機尾電機功率分配比為2:1。

（3）功率平衡系統設計。依據刮板輸送機功率平衡控制策略、電機功率分配方案，其中電流i1、i2分別為機頭及機尾等效電機電流，該電流可直接表征各電機的負載轉矩，通過比對機頭及機尾電機實時負載轉矩比與額定負載轉矩比間偏差，實現機頭、機尾電機轉速調節，確保電機功率差在允許范圍內。當△i（i1、i2間差值）在tmax時間內大于0且△i＞5% i2時，則表明刮板輸送機機頭過載、機頭與機尾電機功率不平衡，此時提升機尾電機轉速直至△i＜5% i2；當△i（i1、i2間差值）在tmax時間內小于0且△i＞5% i2時，則表明刮板輸送機機尾過載、機頭與機尾電機功率不平衡，此時提升機頭電機轉速直至△i＜5% i2；當△i＜5% i2時，則認為機頭及機尾電機功率在正常范圍內波動，不需要進行干預。

功率平衡控制系統中轉矩調節器以及磁鏈調節器對給定值與監測實際值進行比對，后通過調節器輸出比對結果，采用施密特調節方法進行調整控制，從而確保定子磁鏈幅值、觀測值間差值在控制允許范圍內；磁聯觀測器與轉矩觀測器均使用U-N模型，具備有精準度高、控制性能好以及受負載影響小等優點，可實現電機全速度變化區間內定子磁鏈監測。開關狀態選擇單元依靠轉矩調節器、磁鏈調節器以及磁鏈位置檢測等參數確定電壓空間矢量信號，并發出開關脈沖信號，便于實現PWM逆變器控制。具體構建的功率平衡系統運行架構見圖4所示。

圖4 功率平衡系統運行架構

3.應用效果分析

（1）模擬分析。構建模擬模型分析、驗證功率平衡系統應用效果，機頭及機尾的PMSM1、PMSM2及PMSM3額定功率保持一致，定制電阻均為0.05Ω。在滿載情況下啟動刮板輸送機并在穩定運行15s后開啟功率平衡系統，具體仿真結果見圖5所示。

圖5 仿真結果

從圖中看出，在開啟功率平衡系統之前，機頭及機尾電機功率比為1.11（功率不平衡度為11%）、開啟功率平衡系統后機頭及機尾電機功率比降至1.02（即功率不平衡度降至2%），此時機頭及機尾電機功率不平衡度在允許范圍內，表明文中構建的功率平衡系統在功率平衡控制精準度以及效率方面效果較好。

（2）工程應用效果。對3506綜采工作面刮板輸送機進行改造，并收集改造前后電機運行數據，具體結正常運行狀態下機頭及機尾電機電流及功率不平衡度統計結果見表1、重載啟動狀態下機頭及機尾電機電流及功率不平衡度統計結果如表2所示。

表1 正常運行機頭、機尾電流數據及功率不平衡度

表2 重載啟動機頭、機尾電流數據及功率不平衡度

結合表1、表2數據看出，在刮板輸送機應用功率平衡控制方案后可實現機頭、機尾電機的功率控制；改造前刮板輸送機在空載、50%載荷以及滿載狀態下機頭、機尾電機功率不平衡度分別為3.7%、17.6%、27.5%，改造后功率不平衡度分別降至0.3%、3.4%、4.0%；改造前電機在啟動初期1s、2s及3s內機頭、機尾電機功率不平衡度分別為19.4%、7.9%、5.2%，改造后功率不平衡度別降至6.3%、1.6%、0.9%。改造后刮板輸送機在正常運行狀態下以及重載啟動狀態下，機頭及機尾電機的功率不平衡度均明顯降低，取得較好應用效果。

4.總結

刮板輸送機是井下主要運輸設備，確保機頭以及機尾電機功率平衡對提升刮板輸送機運行可靠性、穩定性有顯著促進意義，同時可避免電機出現過載、燒壞等情況。為此，文中以山西某礦井下3506綜采工作面刮板輸送機為研究對象，結合現場需求構建以電流監測為基礎的功率平衡控制系統，并對控制系統整體架構及控制方式等進行分析，最后通過數值模擬、工程應用分析功率平衡系統應用效果。結果表明，構建的功率平衡系統可顯著降低多電機驅動刮板輸送機機頭及機尾在正常運行、重載啟動等狀態下的功率不平衡度，有助于提升刮板運行效率及安全保障能力。