多機驅動帶式輸送機功率平衡控制方法

薛彥波

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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多機驅動帶式輸送機功率平衡控制方法

薛彥波

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039)

摘要：針對采用液體黏性軟啟動裝置的多機驅動帶式輸送機在啟動過程中各電動機功率不平衡的問題，提出了一種多機驅動帶式輸送機功率平衡控制方法：利用電流預測算法預測電動機電流，以提高控制響應速度；根據各電動機之間的預測電流偏差，通過比例微分控制算法調節液體黏性軟啟動裝置所配用的控制泵給定頻率，進而改變電動機電流，使各電動機電流差控制在一定范圍內。現場應用結果表明，在帶式輸送機空載和重載啟動時，該方法均能對電動機過大電流進行抑制調節，實現帶式輸送機平穩啟動和功率平衡。

關鍵詞：帶式輸送機； 多機驅動； 液體黏性軟啟動裝置； 功率平衡； 電流預測； 比例微分控制

0引言

煤礦井下帶式輸送機采用多電動機驅動時，由于相同規格的驅動電動機其實際機械特性存在差異，各驅動滾筒的實際直徑存在偏差，再加上安裝時的誤差率、輸送帶伸長率及其他環境因素的影響，會造成各電動機輸出功率不平衡，即電動機負荷分配不均，嚴重危害帶式輸送機的安全運行，影響煤礦安全生產[1]。

調節帶式輸送機功率平衡的常用驅動裝置有變頻調速驅動裝置、CST驅動裝置、調速型液力偶合器驅動裝置和液體黏性軟啟動裝置等[2]，其中液體黏性軟啟動裝置成本低、易于維護、傳遞效率高，滿足煤礦對帶式輸送機驅動裝置高性價比的要求。針對采用液體黏性軟啟動裝置的多機驅動帶式輸送機，本文提出了一種將電流預測算法和比例微分(Proportional Derivative, PD)控制算法相結合的功率平衡控制方法，根據各電動機之間的預測電流偏差，對液體黏性軟啟動裝置所配用的控制泵給定頻率進行PD控制，進而動態調節各電動機電流，實現多電動機驅動的帶式輸送機在啟動過程中的功率平衡。

1液體黏性軟啟動裝置工作原理

液體黏性軟啟動裝置根據牛頓內摩擦定律，利用液體的黏性，通過油膜的剪切作用來傳遞動力，其主要由主、從動摩擦片，控制油缸，彈簧，殼體及密封件等組成。當主動軸帶動主動摩擦片旋轉時，摩擦片之間的黏性流體形成油膜帶動從動摩擦片旋轉[3]。由油膜剪切理論可知，液體黏性軟啟動裝置的輸出轉矩為

(1)

由式(1)可知，對于確定的液體黏性軟啟動裝置，μ，n，R1，R2均為定值，液體黏性軟啟動裝置的輸出轉矩與主、從動摩擦片的角速度差呈正比，與油膜厚度呈反比。因此，可通過控制油缸內油壓大小來調節主、從動摩擦片之間的油膜厚度，進而改變從動軸輸出轉矩和轉速的大小，實現帶式輸送機的平穩啟動及速度調節[4]。

2功率平衡控制原理

功率平衡控制原理如圖1所示。控制器接收到上位機發送的啟動命令后，輸出模擬量信號作為變頻器的給定頻率輸入信號，同時變頻器將其輸出頻率反饋至控制器。變頻器驅動控制泵給定頻率逐步增加，而控制泵油壓與其頻率呈正比，因此控制泵油壓同步增加，同時將油壓信號反饋至控制器。液體黏性軟啟動裝置中主、從動摩擦片之間的油膜厚度與控制泵油壓呈反比，隨著控制泵油壓的增大，油膜厚度減小，液體黏性軟啟動裝置輸出轉矩變大，電動機輸出功率增加，電動機輸出轉矩通過液體黏性軟啟動裝置傳遞到驅動滾筒，從而拖動帶式輸送機啟動運行。

圖1　功率平衡控制原理

由于電動機輸出功率與電動機電流呈正比，可將各電動機電流作為功率平衡調節的依據。電動機的功率平衡度通過各電動機間的電流差來體現。控制器預先設定功率平衡度閾值，即各電動機電流差的閾值。帶式輸送機在啟動過程中，電動機電流反饋至控制器，當各電動機電流差大于設定的閾值時，控制器根據電流差大小調節對應電動機的控制泵給定頻率，以改變電動機電流，進而改變電動機輸出功率，實現各電動機之間的功率平衡。

3功率平衡控制方法

多機驅動的帶式輸送機功率平衡控制，就是根據電動機反饋的電流來調節控制泵給定頻率。然而控制泵油壓的調節與反饋，主、從動摩擦片之間的油膜厚度改變等環節具有滯后性與非線性的特性，影響功率平衡控制的穩定與可靠。本文將電流預測算法和PD控制算法相結合，對電動機輸出功率進行快速、準確控制，實現多電動機間的功率平衡。

3.1電流預測算法

已知采樣點x0—x3及其對應的電動機電流采樣值f(x0)—f(x3)，采用T/2預測算法(T為采樣周期)[5]預測采樣點xi的電動機電流f(xi)，如圖2所示。

圖2　預測示意

由四階牛頓插值公式可得

f(xi)=f(x0)+f[x0,x1](xi-x0)+

f[x0,x1,x2](xi-x0)(xi-x1)+

f[x0,x1,x2,x3](xi-x0)(xi-x1)×

(xi-x2)

(2)

由于x3-x2=x2-x1=x1-x0=T，根據式(2)可得

(3)

由此，控制器可根據已知采樣點的電流計算出下半個周期的電動機電流預測值。

3.2PD控制算法

PD控制算法能預測誤差變化的趨勢，避免被控量的嚴重超調，改善調節過程中的動態特性[6]。因此，本文采用PD控制算法調節控制泵給定頻率。

PD控制算法微分方程為

(4)

式中：u(t)為PD控制輸出量；KP為比例系數；e(t)為PD控制輸入量；TD為微分時間常數；t為時間。

通過離散化，可推導出增量式PD控制算法差分方程：

(5)

式中：Δu(k)為PD控制輸出量的增量；e(k)，e(k-1)，e(k-2)分別為PD控制在k，k-1，k-2采樣時刻的輸入量；KD為微分系數。

當2臺電動機電流差超出閾值時，電流較大的電動機對應的控制泵給定頻率調整公式如下：

(6)

式中：f(k)，f(k-1)分別為控制泵在k，k-1采樣時刻的給定頻率。

4實際應用

在川煤集團廣能公司綠水洞煤礦主平硐5.6 km長帶式輸送機上對本文控制方法進行驗證。帶式輸送機由4臺250 kW電動機及相應的4臺液體黏性軟啟動裝置驅動，如圖3所示。設采樣周期為1 s，電動機電流差閾值為5 A，KP=0.2,KD=0.05。當控制泵給定頻率小于25 Hz時，控制泵給定頻率以2 Hz/s自增；當控制泵給定頻率大于等于25 Hz且小于40 Hz時，若任意2臺電動機預測電流偏差小于閾值，控制泵給定頻率以0.2 Hz/s自增，若任意2臺電動機預測電流偏差大于閾值，則電流較大的電動機對應的控制泵給定頻率以PD控制算法計算出的|Δu(k)|逐秒減小；當控制泵給定頻率大于等于40 Hz且小于50 Hz時，控制泵給定頻率以1 Hz/s自增。

圖3　帶式輸送機驅動裝置平面布置

空載和重載啟動時4臺電動機電流及控制泵給定頻率曲線分別如圖4、圖5所示。從圖4可看出，1號電動機電流在啟動后快速增大，超出閾值，1號控制泵給定頻率減小從而調節1號電動機電流減小；當3號控制泵給定頻率增大至31 Hz左右時，3號電動機電流猛增，此時1號電動機電流驟降，3號控制泵給定頻率開始減小，3號電動機電流迅速減小；直到3號控制泵給定頻率重新上升從而調節3號電動機電流與其他3臺電動機電流接近時，4臺控制泵給定頻率開始同步增加，直至到達工頻。從圖5可看出，由于重載啟動慣性更大，在啟動過程中3號電動機電流有2次較大的波動，啟動時間也比空載時延長了42 s，但本文控制方法依然起到了有效的調節作用，啟動完成時4臺電動機電流趨于一致，有效控制了4臺電動機在啟動過程中的功率平衡。

圖4 空載啟動時4臺電動機電流及控制泵給定頻率曲線

圖5　重載啟動時4臺電動機電流及控制泵給定頻率曲線

5結語

在采用液體黏性軟啟動裝置的多機驅動帶式輸送機啟動過程中，利用電流預測算法及PD控制算法將各電動機電流差控制在一定范圍內，平衡各電動機的輸出功率，保證了多機驅動帶式輸送機的平穩啟動和功率平衡，滿足煤礦對帶式輸送機啟動及運行經濟性、高效性的需求。

參考文獻：

[1]楊光輝,安琪.多機驅動帶式輸送機功率平衡模糊控制方法[J].工礦自動化,2014,40(3):69-73.

[2]余發山,韓超超,田西方,等.帶式輸送機多機變頻驅動功率平衡控制研究[J].工礦自動化,2013,39(3):69-73.

[3]楊繼周,李文國,趙中華.帶式輸送機液粘軟啟動裝置的分析[J].中州煤炭,2007(6):29-30.

[4]郭春林.帶式輸送機多機驅動功率平衡調整原理的研究[J].煤礦機械,2009,30(10):33-34.

[5]歐陽名三,莫麗紅.采用參數預測及模糊控制的膠帶多機驅動功率平衡的研究[J].煤炭學報,2005,30(2):255-258.

[6]張國范,顧樹生,王明順,等.計算機控制系統[M].北京:冶金工業出版社,2004.

Power balance control method of multi-motor driving belt conveyor

XUE Yanbo

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:In view of problem of motor power unbalance in process of starting of multi-motor driving belt conveyor which uses hydro-viscous soft starting device, a power balance control method of multi-motor driving belt conveyor was proposed. A current prediction algorithm is used to predict motor current in order to improve control response speed. According to difference between the motor predictive currents, given frequency of control pump which is connected with the hydro-viscous soft starting device is adjusted through proportional derivative control algorithm, then the motor current is changed, so difference between the motor currents can be controlled in a certain range. The field application result shows that the method can restrain excessive current of motor whether no-load or heavy-load starting of the belt conveyor, which achieves smooth start and power balance of the belt conveyor.

Key words:belt conveyor; multi-motor driving; hydro-viscous soft starting device; power balance; current prediction; PD control

中圖分類號：TD634.1

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-03-07 15:22

作者簡介：薛彥波(1982-)，男，河南焦作人，助理研究員，碩士，主要從事煤礦自動化與信息化、工業自動化方面的研究工作，E-mail:84576683@qq.com。

基金項目：工信部2014年物聯網發展專項資金項目(2014083105)。

收稿日期：2015-11-19；修回日期：2016-01-23；責任編輯：盛男。

文章編號：1671-251X(2016)03-0074-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.017

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1522.017.html

薛彥波.多機驅動帶式輸送機功率平衡控制方法[J].工礦自動化，2016,42(3)：74-77.