刮板輸送機變頻驅動控制系統的研究

郝永強

（山西汾西礦業集團有限責任公司雙柳煤礦， 山西 呂梁 033300）

引言

刮板輸送機作為煤礦井下綜采面運輸散料的機械設備，在確保井下煤炭運輸，采煤機井下運輸、液壓支架井下移動方面具有重要作用[1]，其工作的可靠性和穩定性直接決定了生產效率。刮板輸送機因特殊的工作用途，需要頻繁的重載啟動，傳統的驅動控制方式，不但啟動困難，同時在啟動時還需要消耗大量的電能，造成了極大的浪費，因此如何優化刮板輸送機的驅動控制系統便成了迫切需要解決的難題。

1 刮板輸送機的負載特性分析

刮板輸送機是依靠刮板鏈為工作機構，以鏈傳動的原理進行工作的煤礦井下一種散料運輸設備，其傳動系統主要包括電機、減速機構、驅動鏈輪機構等組成[2]，其結構如圖1所示。

圖1 刮板輸送機運動機構示意圖

刮板輸送機系統在開始工作時，電機通電運轉，通過與電機相連接的液力耦合器、減速機構、鏈輪機構等，將動力傳遞給鏈輪，然后由鏈輪運轉，帶動刮板鏈開始在刮板輸送機的滑動槽內連續不斷的運動，將鏈板上的煤炭等物料從輸送機的一端傳遞到另一端，在工作過程中，刮板輸送機系統的鏈輪承受著巨大的載荷，特別是在有負載沖擊和脈動的環境下，將極大的損耗刮板輸送機的使用壽命。

刮板輸送機在工作過程中，落煤時間、落煤重量的不規則性，使輸送機在工作中處于無規律的滿載、空載、超載交替變化的工況中，要滿足其正常使用要求，就需要刮板輸送機具有大的啟動轉矩，目前常用的刮板輸送機啟動時的過載系數為2.5～2.8[3]。刮板輸送機在頻繁的、無規律的重載啟動中將對輸送機造成斷鏈、零件磨損加劇、設備工作的可靠性降低、電機設備對電網電流的沖擊大等，嚴重影響煤礦用電設備的安全運行。

2 建立刮板輸送機的動力學模型

為了對刮板輸送機在負載情況下的運行狀態進行仿真分析，需要搭建刮板輸送機的動力學模型，以便進行更深入和精細化的研究。由于刮板輸送機在實際運行中，其動力學特性是非線性的，因此為了方便其動力學模型的建立，做出以下假設[4]：

1）煤礦井下刮板輸送機刮板的質量和傳動鏈條的質量是均勻的分散在輸送機的滑槽內；

2）輸送機的滑槽剛度極大，在運行中不會發生形變，其傳動的鏈條有初張力，在運行過程中只有縱向振動，無橫向振動；

3）傳動鏈條具有均質特性，在傳動過程中的阻力均集中在滑槽中部，運行阻力和運行速度呈線性關系。

根據以上假設，同時忽略刮板輸送機在運行過程中的實際輸送線路彎曲的影響，建立起刮板輸送機運行過程中的動力學模型，如圖2所示。

圖2 刮板輸送機動力學模型

其動力學模型的力學分析如下[5]：

式中：M為質量系數；C為阻尼系數；K為剛度系數；F（t）為作用于各單元上的質量載荷；W為各有限單元質量所受的阻力。

3 基于直接轉矩的輸送機變頻控制系統

直接轉矩控制就是將電機和逆變裝置作為一個整體，在工作時以三相正弦電壓驅動異步電動機工作，在電機內部產生具有恒定轉速和幅值的磁通量，電機在定子磁鏈的影響下進行工作，但輸入電壓的特性又控制著定子磁鏈的特性，進而影響電機的運行特性，因此若要確保輸送機在運行過程中的穩定性，就需要控制輸送機電機的運轉特性，基于直接轉矩的輸送機變頻控制系統工作原理如圖3所示。

圖3 基于直接轉矩的變頻控制系統原理圖

為了對基于直接轉矩的變頻控制系統對刮板輸送機運行的調節情況進行驗證，根據刮板輸送機的實際配置情況，設置電機的額定電壓為110 V，額定功率為75 kW，額定電流為50 A，額定轉速為1 440 r/min，設置刮板輸送機為滿載啟動，啟動的時間是3 s，仿真的時間為10 s，然后對其工作情況進行分析，結構如圖4、圖5所示。

由分析結果可知，基于直接轉矩的變頻控制系統控制刮板輸送機工作時，其運行速度會有輕微的波動，同時需要較長的時間才能進入到穩定的工作狀態，而輸送機的轉矩在啟動時會產生一定的波動，且這個波動量均為超過31 N·m，因此在使用變頻控制系統的情況下，能夠平緩工作過程中的轉矩情況，極大的降低了刮板輸送機系統在工作過程中的沖擊情況。

圖4 刮板輸送機轉速波形圖

圖5 刮板輸送機轉矩波形圖

4 結語

使用變頻控制系統能夠平緩工作過程中的轉矩情況，極大降低了刮板輸送機系統在工作過程中的沖擊情況，不但實現了刮板輸送機在滿載情況下的“軟啟動”，而且極大降低了啟動時的電能消耗。