大功率帶式輸送機驅(qū)動裝置設計仿真

【摘要】針對煤礦井下膠帶輸送機須具備大運力、高效、可靠的技術特性，解決輸送機運力不夠的制約因素，采用配套高電壓等級、功率在750KW左右的大功率隔爆殼體式防爆驅(qū)動裝置（防爆變頻器或防爆軟啟動器），提升煤礦井下膠帶輸送機運力。

【關鍵詞】帶式輸送機；防爆；變頻

煤礦井下膠帶輸送機是煤礦生產(chǎn)諸環(huán)節(jié)中的重要設備之一，為滿足煤礦可持續(xù)性發(fā)展需要，高效集約化生產(chǎn)已成為趨勢，作為煤礦生產(chǎn)重要設備的煤礦井下膠帶輸送機須具備大運力、高效、可靠的技術特性。目前國內(nèi)煤礦井下大功率膠帶輸送機大多采用直接啟動，對機械設備以及電網(wǎng)沖擊較大，不能調(diào)速，難以滿足現(xiàn)場使用要求；部分采用CST和調(diào)速型液力耦合器啟動和調(diào)速，基本能滿足軟啟動的要求，但工作可靠性、調(diào)速性能、功率平衡性能、速度同步性能等均不理想，且體積重量大，安裝調(diào)試不便，維護費用高。而防爆變頻器和防爆軟啟動器在膠帶輸送機的運用，較好解決了上述存在的問題。

1.帶式輸送機驅(qū)動控制特性分析

1.1 帶式輸送機起動特性

帶式輸送機是由閉環(huán)的承載輸送帶和托輥及驅(qū)動裝置、拉緊裝置、改向滾筒及其機架構成的系統(tǒng)。驅(qū)動裝置起動后，通過滾筒與輸送帶的磨擦作用將驅(qū)動力傳遞給輸送帶。由于輸送帶的運動需要克服各種運行阻力，且輸送帶為粘彈性體，盡管在起動過程中可以控制驅(qū)動裝置的起動速度（加速度），但并不能將運動直接傳遞到整個輸送帶上，而是在輸送帶的粘彈性性質(zhì)和阻力作用下，逐漸地將驅(qū)動力和速度傳播到整個輸送帶上。因此大型帶式輸送機必須有足夠的起動時間，使起動加速度保持在允許范圍內(nèi)。

1.2 加速度控制曲線的選取

理想的可控起動速度曲線，是帶式輸送機平穩(wěn)起動，且整個起動過程中加速度的最大值較小，速度輸出平穩(wěn)，無速度突變，以最大限度地減小起動的慣性力和起動沖擊作用。據(jù)相關資料與實驗室試驗表明，用“S”形曲線可以達到良好的效果。以同樣的時間起動電機（軟起動），“S”形曲線比直線平穩(wěn)得多，振動、噪聲亦小。變頻傳動裝置是按照控制器給定的速度與加速度曲線，控制電機速度，使輸送機的速度曲線變成平滑的“S”形來減小帶式輸送機的起動沖擊。

1.3 帶式輸送機牽引力分配與功率平衡

大功率帶式輸送機通常采用多滾筒多電機驅(qū)動，這就存在負載功率在各個滾筒之間的平衡問題。分配不合理，會引起某電機過載，影響電機的使用壽命。輸送帶在正常運行過程中，各點的速度近似相等，因此負載功率的分配相當于牽引力的分配。

1.3.1 牽引力的實際分配

圖1-1 雙滾筒驅(qū)動帶式輸送機線路示意圖

1.3.2 多滾筒傳動帶式輸送機正常運行的特征

多滾筒傳動帶式輸送機正常運行的特征是：任一驅(qū)動滾筒和輸送帶問沒有宏觀相對滑移，即輸送帶和傳動滾筒至少有一點兩者的速度相等。據(jù)此可以求出兩驅(qū)動裝置提供的牽引力及其分配比。通過數(shù)學公式推算，影響牽引力配比的因素如下：

（1）各電動機的機械特性。

（2）各機械傳送裝置的傳動比和效率。

（3）輸送帶的拉伸剛度。

（4）各驅(qū)動滾筒的直徑：驅(qū)動滾筒的直徑存在誤差，主要是由于長期磨損和粘性物料粘附在滾筒表面，導致滾筒實際運轉(zhuǎn)直徑增大。

（5）驅(qū)動滾筒之間的阻力：主要決定于驅(qū)動滾筒的位置。

（6）總阻力W0。

（7）電動機的供電頻率f。

對于具體的帶式輸送機，以上（1）～（5）因素都已確定，（6）是由運量等因素決定，因此牽引力的調(diào)節(jié)只能靠調(diào)節(jié)電動機的供電頻率來實現(xiàn)。同理，對于多電機驅(qū)動系統(tǒng)，也通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)電機的輸出功率。

2.帶式輸送機變頻驅(qū)動裝置硬件設計與軟件仿真

變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路整流器為不控整流橋，逆變器為由功率器件IGBT搭建的三相H橋，不控制整流二極管和IGBT選型時要留出足夠大的耐壓、耐流余量，冗余一般取為2～3倍。變流器的保護電路由兩部分組成：整個主電路的過壓過流保護；功率器件IGBT的驅(qū)動、保護、吸收電路。

2.1 6×750KVA調(diào)速裝置仿真

異步電動機變壓變頻調(diào)速時需要進行電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也使一個獨立的輸出變量。因為電動機只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉(zhuǎn)速的變化是同時進行的，為獲得良好的動態(tài)性能，必須對磁通施加控制，使它在動態(tài)過程中盡量保持恒定。電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通得到感應電動勢，由于它們都是同時變化的，在數(shù)學模型中就含有兩個變量的成句，這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數(shù)學模型也是非線性的。因此，異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。

2.2 異步電機矢量控制仿真結果

在psim仿真環(huán)境下驗證了異步電機矢量控制策略，控制系統(tǒng)框圖搭建仿真模型，考察了兩種不同速度指令下空載以及在額定負載運行時的電機響應特性，其相應的電機響應結果如圖2.1所示。

圖2.1 異步電機矢量控制系統(tǒng)仿真框圖

仿真條件：電機參數(shù)如表1所示，速度給定信號如圖2.2中N_ref所示，電機加速過程為0.42秒，最大速度為500rmp，啟動轉(zhuǎn)矩為4500N.m，變頻器直流母線電壓為2200V；PWM調(diào)制采用雙極性SPWM調(diào)制；仿真結果如圖2.2所示。

表1 異步電機模型參數(shù)

圖2.2 仿真結果圖

在psim軟件，負載選為4500N.m的橫轉(zhuǎn)矩負載，如果不加任何控制，該負載模型會拖動電機反轉(zhuǎn)，這是和真實情況不同的地方，通過仿真曲線可知，矢量控制在重載啟動下，調(diào)速性能良好。

圖2.3 仿真曲線圖

由于啟動轉(zhuǎn)矩較大，并且在仿真軟件中電機啟動反轉(zhuǎn)，因此矢量控制在啟動時提供了很大的校正參考電流，導致啟動電流和電磁轉(zhuǎn)矩在起始階段都比較大。

圖2.4

通過變流器輸出線電壓可知，雙極性PWM調(diào)制在0.2秒至0.5秒得過程中出現(xiàn)了過調(diào)制，增大了電流諧波，導致電機速度和轉(zhuǎn)矩特性在這個過程中出現(xiàn)波動，現(xiàn)實工況中一般會在自動控制系統(tǒng)中設定較長的加速時間和足夠大的PWM調(diào)制比，并對矢量控制模型各變量設定最佳限幅。

3.結語

當前及今后較長時期建設的礦井設計能力都很大，對煤礦井下大功率帶式輸送機的需求很大，也就是說對大功率防爆驅(qū)動裝置（防爆變頻器或防爆軟啟動器）的需求很大。開發(fā)低成本、高性能的煤礦井下大功率膠帶輸送機防爆驅(qū)動裝置產(chǎn)品具有非常重要的意義。

參考文獻

[1]許振茂.變頻調(diào)速器使用手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2005.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4]鄧想真，賴壽宏.異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及其應用[M].武漢：華中理工大學出版社，2007.

[5]劉競成.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學出版社，2006.

[6]王安山，劉競雄等.防爆變頻器設計方案的研究[G].北京：煤炭科學研究總院，2004.

[7]陳國呈.PWM變頻調(diào)速技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：趙波（1983—），男，陜西戶縣人，現(xiàn)供職于陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，主要從事礦井自動化工作。