煤礦井下綜采面刮板運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的研究/翟海波

趙濤

摘 要：針對(duì)礦用組合開關(guān)控制綜采面刮板運(yùn)輸機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了刮板運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的控制方案。詳細(xì)介紹了變頻驅(qū)動(dòng)方案的硬件配置、工作邏輯、DTC直接轉(zhuǎn)矩控制、機(jī)頭機(jī)尾雙電機(jī)同步控制、運(yùn)行中的節(jié)能控制。實(shí)踐證明，該套變頻驅(qū)動(dòng)控制方案，穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，贏得了客戶的高度認(rèn)可，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：刮板運(yùn)輸機(jī) 變頻驅(qū)動(dòng) DTC 同步控制

中圖分類號(hào)：TD528.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（c）-0044-02

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展，變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已趨于成熟。目前綜采面刮板運(yùn)輸機(jī)普遍采用組合開關(guān)高低速切換進(jìn)行控制，該控制方式在起動(dòng)的前期，轉(zhuǎn)速和扭矩瞬間增大，引起對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)和鏈條的巨大沖擊，時(shí)有斷鏈發(fā)生，給現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重危害；采用組合開關(guān)控制，工作時(shí)始終保持在50 Hz工頻運(yùn)行，在低載或空載時(shí)，會(huì)帶來沒有必要的能源消耗。相對(duì)于組合開關(guān)控制，采用變頻驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)比較明顯；變頻驅(qū)動(dòng)起動(dòng)時(shí)速度緩慢增加，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)零沖擊，最大限度延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命；變頻驅(qū)動(dòng)可根據(jù)電機(jī)空載運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)斷鏈保護(hù)，減少安全事故；變頻驅(qū)動(dòng)在刮板運(yùn)輸機(jī)低載或空載時(shí)，控制系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而節(jié)省能源的消耗。

該文針對(duì)筆者公司研發(fā)的BPJ-400型防爆變頻器和SGZ-764/500型刮板運(yùn)輸機(jī)，進(jìn)行了變頻驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用研究。

1 刮板運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置

BPJ-400型防爆變頻器和SGZ-764/500型刮板運(yùn)輸機(jī)均為我司研發(fā)的成熟產(chǎn)品，BPJ-400型防爆變頻器的額定功率為400 kW，SGZ-764/500型刮板運(yùn)輸機(jī)為雙250 kW電機(jī)，額定總功率為500kW，采用兩臺(tái)變頻器一拖一的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。兩變頻器之間采用主從通訊，機(jī)尾變頻器為主機(jī)，機(jī)頭變頻器為從機(jī)。主控器只與主變頻器進(jìn)行通訊，主控器給出主變頻器的速度設(shè)定，如圖1所示。因刮板運(yùn)輸機(jī)電機(jī)剛性軸耦合，所以從變頻器跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩設(shè)定；即主變頻由速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)控制，從變頻器僅由轉(zhuǎn)矩環(huán)控制。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制方式

BPJ-400型防爆變頻器其控制主板采用ABB公司的ACS800，該主板采用直接轉(zhuǎn)矩控制，Direct torque control，簡(jiǎn)稱DTC，是繼矢量控制之后，發(fā)展起來的另一種高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速方法，它因在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)直接用轉(zhuǎn)矩反饋控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩而得名。很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計(jì)算量大、參數(shù)變化敏感等問題。ABB公司的ACS800變頻器控制板采用無速度傳感器的DTC控制方式，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，系統(tǒng)通過建立的虛擬電機(jī)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度信號(hào)作為外環(huán)控制的反饋信號(hào)，內(nèi)環(huán)是轉(zhuǎn)矩環(huán)，通過內(nèi)外兩環(huán)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器的電機(jī)DTC控制。

3 變頻驅(qū)動(dòng)的同步控制

2臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)1臺(tái)刮板運(yùn)輸機(jī)，因其電機(jī)軸屬于剛性耦合，為提高運(yùn)輸機(jī)部件的使用壽命，防止因電機(jī)不同步造成的損壞，只靠電機(jī)速度同步并不能滿足要求，正常運(yùn)行時(shí)控制系統(tǒng)還要求機(jī)頭機(jī)尾兩電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩相同。

根據(jù)定義，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩率為：

δ=T/Te

式中T為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Te為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

負(fù)荷分配要求：δw=δt=δ即

Tw為機(jī)尾電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Twe為機(jī)尾電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；Tt為機(jī)頭電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tte為機(jī)頭電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；Tz為運(yùn)輸機(jī)輸出總負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Tze為運(yùn)輸機(jī)額定總轉(zhuǎn)矩。

因此要求機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，其相應(yīng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：

Tw=δzongTwe，Tt=δzongTte的要求。

實(shí)際運(yùn)行過程中，主控制器實(shí)時(shí)讀取機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，然后將兩電機(jī)進(jìn)行比較，調(diào)整其給定頻率，加大或減少電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩以達(dá)到負(fù)載平衡。

Km為電機(jī)常數(shù)；φm為氣隙磁通；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率；Rr為轉(zhuǎn)子等效電阻。

4 刮板運(yùn)輸機(jī)的節(jié)能控制

根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的各種工況，長(zhǎng)期摸索總結(jié)，建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)人機(jī)交互系統(tǒng)；控制系統(tǒng)人機(jī)界面HMI中有轉(zhuǎn)速下限、轉(zhuǎn)速上限、中間轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下限、轉(zhuǎn)矩上限等可設(shè)置的參數(shù)；含義如下：

轉(zhuǎn)速下限：參數(shù)設(shè)定分段調(diào)速的下限速度，范圍400～900（rpm）。

轉(zhuǎn)速上限：參數(shù)設(shè)定分段調(diào)速的上限速度，范圍450～1484（rpm）。

中間轉(zhuǎn)速：設(shè)定為轉(zhuǎn)速上限與轉(zhuǎn)速下限的中間值。

轉(zhuǎn)矩下限：參數(shù)設(shè)定為分段調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩下限，范圍5～90（%）。

轉(zhuǎn)矩上限：參數(shù)設(shè)定為分段調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩上限，范圍15～200（%）。

基本控制理念為：當(dāng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩低于轉(zhuǎn)矩下限時(shí)，刮板機(jī)按轉(zhuǎn)速下限運(yùn)行；當(dāng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩下限與轉(zhuǎn)矩上限之間時(shí)，刮板機(jī)按中間轉(zhuǎn)速運(yùn)行；當(dāng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩大于轉(zhuǎn)矩上限時(shí)，刮板機(jī)按轉(zhuǎn)速上限運(yùn)行。正常工作時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的變化，根據(jù)控制模型，調(diào)整變頻輸出頻率，以改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)語

我司研發(fā)的整套刮板運(yùn)輸機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過井下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，最大程度延長(zhǎng)了刮板運(yùn)輸機(jī)的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了2年無大修的目標(biāo)。在降低能耗的同時(shí)，保證了礦方的高效生產(chǎn)，贏得了客戶的高度認(rèn)可。隨著科技的迅猛發(fā)展，煤礦井下智能化的要求越來越高，安全、高效、節(jié)能的智能化礦井是今后發(fā)展的主要方向；由于變頻驅(qū)動(dòng)具有負(fù)載零沖擊、電網(wǎng)波動(dòng)小、速度調(diào)節(jié)寬、節(jié)能降耗、控制靈活等眾多優(yōu)點(diǎn)，在能耗較大和控制要求較高的場(chǎng)合會(huì)逐漸替代傳統(tǒng)電機(jī)的工頻直起應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 史頌平.變頻調(diào)速智能控制節(jié)能技術(shù)[M].貴州：貴州科技出版社，2010.

[2] 張選正.中高壓變頻應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 黃永紅.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.