刮板輸送機電動機功率平衡控制優(yōu)化

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摘要：以如何平衡控制刮板輸送機首尾電動機功率為研究對象，闡述了刮板輸送機負載轉(zhuǎn)矩、電流與電動機的關(guān)聯(lián)性，分析了首尾電機功率平衡的控制原理，在建立平衡控制系統(tǒng)后，利用LMSAMEsim軟件對建立的刮板輸送機控制系統(tǒng)進行模擬仿真。通過仿真得知，進行功率平衡控制優(yōu)化的刮板輸送機電動機系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，為類似研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機；功率平衡；LMSAMEsim；控制系統(tǒng)；仿真

引言

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷提高，對刮板輸送機的輸送距離和煤炭運量的要求愈發(fā)苛刻。由于輸送距離的增加和輸送負載的不斷變化，經(jīng)常導(dǎo)致刮板輸送機首尾處電機出現(xiàn)過載失衡，電機功率過載的情況發(fā)生，在折損電機使用壽命的同時嚴重影響煤炭開采挖掘效率。因此，本文從探索刮板輸送機首尾電機功率平衡點出發(fā)，對其控制優(yōu)化進行了深入研究。

1刮板輸送機負載相關(guān)參數(shù)的分析

1.1負載阻力與電機轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)分析

在傳輸煤炭時產(chǎn)生的阻力是刮板輸送機電機驅(qū)動的負載來源，負載主要有以下四點：1）重載運行阻力，傳輸零部件以及煤炭等貨物的傳動阻力；2）空載運行阻力，傳輸零部件空載轉(zhuǎn)回時的傳動阻力；3）刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇Γ?）刮板鏈繞過驅(qū)動鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力；其中，重載運行阻力與空載運行阻力的大小由輸送機上煤炭負載的變化決定。刮板鏈繞過驅(qū)動鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力，該部分阻力包括了鏈輪驅(qū)動將輸送刮板彎曲而產(chǎn)生的力等，計算非常復(fù)雜，通常情況下按照重載運行阻力和空載運行阻力疊加后的10%來估算，這意味著彎曲阻力可以由負載變化來決定[1]。刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇κ怯捎诠伟彐溳斔途嚯x過長而導(dǎo)致輸送板下?lián)隙a(chǎn)生的。在刮板輸送機工作狀態(tài)時，水平彎曲力相較刮板鏈繞過驅(qū)動鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力幾乎相同。因此，可以將水平彎曲阻力也由負載而產(chǎn)生的運行阻力來描述。綜上所述得知：刮板輸送機上產(chǎn)生的阻力均可由輸送機上負載表示，輸送機電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與負載的關(guān)系式如下：式中：W為輸送機工作時產(chǎn)生的阻力之和，N；TL為正常工況下負載的轉(zhuǎn)矩，N•m；T為輸送機兩側(cè)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，N•m；v為刮板鏈傳動速度，m/s；ω為輸送機首尾電機額定角速度，rad/s；ηc為傳動效率。式中可以看出，刮板輸送機兩側(cè)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與輸送機的阻力成正比，同時結(jié)合上述分析，刮板輸送機的阻力變化均由輸送負載決定，因此可以通過調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩來應(yīng)對輸送機阻力的變化。1.2電機轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)聯(lián)分析刮板輸送機一般選型為三相異步電動機，根據(jù)該類型電動機的電動特性曲線可以看出，當(dāng)電動機處于正常工作狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)差率會隨著電動機轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢相同。由此可以確定，在兩端電機的功率有著穩(wěn)定的功率比時，刮板輸送機電機電流也會隨著電動機轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢相同[2]。綜合上述分析可以得出，刮板輸送機上采煤負載阻力的變化情況可以由觀察刮板輸送機首尾兩端的電動機的電流變化來判定。

2首尾電機功率平衡控制原理

刮板輸送機的驅(qū)動主要是由三臺三相異步電動機組成，設(shè)計的刮板輸送機的電機功率為正常工況下滿負荷輸送煤炭量的120%，且通常選用防爆型電機，兩臺在刮板輸送機機頭，一臺在機尾。功率平衡控制系統(tǒng)的原理是：通過檢測電機電流的變化進而判斷輸送機負載阻力的變化，進而改變電動機的轉(zhuǎn)速，使電機功率匹配不斷變化的負載，控制刮板輸送機三臺電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，預(yù)防電機出現(xiàn)過載現(xiàn)象[3]。刮板輸送機三臺電動機的機械特性是一致的，為簡化設(shè)計計算，將刮板輸送機機頭部分的兩臺電動機等效成一臺，其功率和額定轉(zhuǎn)矩是原電機的兩倍。通過比較首尾處等效電動機的電流大小，判斷刮板輸送機各個電機的負載情況，機首的電動機電流為i1，通過機尾的電動機電流為i2，i1-i2=△i。若△i=0時，說明各處的電動機功率平衡，刮板輸送機的負載在正常區(qū)間；若△i>0且△i電流與i2電流的比值大于1∶20時，即i2電流占比高于均值5%以上。可以判定機首處電機存在過載；由于轉(zhuǎn)速和電機功率成正比，可增加機首處電機轉(zhuǎn)速，加大對機首電機鏈輪的拖動力，從而平衡過載；當(dāng)△i<0且△i電流與i1電流的比值大于1∶20時，即i1電流占比高于均值5%以上?？梢耘卸C尾處電機存在過載。由于轉(zhuǎn)速和電機功率成正比，可增加機尾處電機轉(zhuǎn)速，加大對機尾電機鏈輪的拖動力，從而平衡過載[4-5]。具體控制原理如圖1所示。

3首尾電動機功率平衡控制系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述平衡控制方案，針對常規(guī)刮板輸送機設(shè)計了一套平衡控制系統(tǒng)，如圖2所示。平衡控制系統(tǒng)有3部分組成：CAN總線傳輸刮板輸送機電機數(shù)據(jù)；煤礦專用變頻器轉(zhuǎn)化電機電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；PLC控制器控制判斷電機功率平衡。由于輸送機首尾電機距離過遠，常規(guī)線路連接可能會出現(xiàn)傳輸偏差或延遲，為保證通訊速率，系統(tǒng)采用CAN線與輸送機首尾電機相連[6]，用于實時傳輸刮板輸送機電機電流數(shù)據(jù)。PLC編程控制器具備接收電流信號的接口，在收到首尾電機的電流數(shù)據(jù)后，通過功率平衡控制程序判斷處理，傳輸給變頻器調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的信號；變頻器具備能夠直接調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的功能，通過CAN總線分別控制調(diào)整刮板輸送機頭、機尾電動機電磁轉(zhuǎn)矩，從而達到調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的作用。

4仿真分析

利用LMSAMEsim軟件模擬建立刮板輸送機控制系統(tǒng)，模擬某刮板輸送機工作狀態(tài)，該輸送機機頭電動機穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為180A，機尾電動機穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為160A。根據(jù)已知的電機分布情況，兩臺在刮板輸送機機頭，一臺在機尾。通過第1.1節(jié)分析可知，刮板輸送機頭、尾部分電動機電磁轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩比例為9∶4。該刮板輸送機電機工作時轉(zhuǎn)速如圖3所示，仿真分析檢測平衡控制系統(tǒng)。圖3中可知，在未進行平衡控制前，電動機之間的轉(zhuǎn)矩比例并不平衡，機頭處電機轉(zhuǎn)速較機尾處電機偏低的原因是機頭的負載較大。隨著平衡策略控制調(diào)整，使得刮板輸送機機頭電動機轉(zhuǎn)速在1s時發(fā)生轉(zhuǎn)速提升并在3s時趨于穩(wěn)定；機尾的電機轉(zhuǎn)速在平衡策略控制調(diào)整后，機尾的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，最后低于機頭部分電動機轉(zhuǎn)速，分擔(dān)了負載阻力。圖4為刮板輸送機機尾部分驅(qū)動側(cè)鏈輪的負載轉(zhuǎn)矩變化圖，從圖中可以看出，機尾部分驅(qū)動鏈輪的負載轉(zhuǎn)矩變化與機尾轉(zhuǎn)速變化成反向趨勢，這說明了平衡控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，改變了負載不平衡的狀況。下頁圖5為刮板輸送機機頭與機尾部分鏈輪嚙合點和分離點張力變化圖，圖中可以看出：隨著平衡控制系統(tǒng)調(diào)整電機轉(zhuǎn)速后，機頭機尾部分的張力存在波動，波動幅值趨于穩(wěn)定。說明平衡控制策略對整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較?。粰C頭部分鏈輪嚙合點張力下降，機尾部分鏈輪嚙合點張力上升。在計算后發(fā)現(xiàn)，頭、尾部電動機的功率在調(diào)整后處于平衡狀態(tài)。

5結(jié)論

1）刮板輸送機首尾電動機電動機是否存在過載可根據(jù)首尾電動機電流的大小來判斷。當(dāng)過載現(xiàn)象發(fā)生，PI控制器發(fā)送調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的信號到平衡控制系統(tǒng)中的礦用變頻器，改變電動機電磁轉(zhuǎn)矩；利用電動機負載轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，通過改變電動機電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。2）設(shè)計的平衡控制系統(tǒng)通過LMSAMEsim軟件模擬電動機過載情況，平衡控制系統(tǒng)在判定過載后進行自動調(diào)節(jié)。首尾電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，機尾處電動機的電磁轉(zhuǎn)矩升高，證明功率平衡系統(tǒng)有效地分擔(dān)了過載電動機的負載；通過觀察鏈條特殊點張力情況，發(fā)現(xiàn)該功率平衡控制系統(tǒng)調(diào)整負載后，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

參考文獻

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作者：王雙虎 單位：潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司