刮板輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)的研究

王新成

（山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047100）

引言

作為煤礦井下“三機(jī)”之一，刮板輸送機(jī)不僅是用于輸送煤炭的設(shè)備而且是采煤機(jī)在井下進(jìn)行進(jìn)給作業(yè)的軌道，因此刮板輸送機(jī)在工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性就直接決定了煤礦井下的綜采作業(yè)效率和作業(yè)安全。為了適應(yīng)越來(lái)越高的煤炭綜采作業(yè)效率，刮板輸送機(jī)已經(jīng)開(kāi)始廣泛采用首尾多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，刮板輸送機(jī)在工作時(shí)其雙電機(jī)的輸出功率很難維持平衡，導(dǎo)致多個(gè)電機(jī)長(zhǎng)期處于不均衡的工作狀態(tài)，不僅嚴(yán)重影響了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用壽命，而且導(dǎo)致刮板輸送機(jī)在工作過(guò)程中的輸送不穩(wěn)定，給煤礦井下的安全生產(chǎn)造成了極大的隱患，因此迫切需要對(duì)刮板輸送機(jī)多電機(jī)的功率平衡控制進(jìn)行研究，確保工作過(guò)程中多電機(jī)輸出功率的平衡性，提高電機(jī)使用壽命和工作時(shí)的穩(wěn)定性。

1 多電機(jī)功率平衡控制原理

刮板輸送機(jī)的多電機(jī)功率平衡控制是實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的輸出功率和工作電流有密切的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率平衡實(shí)際上等于實(shí)現(xiàn)刮板輸送工作時(shí)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電流的平衡。因此其平衡控制的基本原則就是根據(jù)各電機(jī)工作時(shí)的負(fù)載的變化來(lái)對(duì)其輸入電流進(jìn)行調(diào)整，使各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率保持在一定的范圍內(nèi)，從而有效的避免各驅(qū)動(dòng)電機(jī)在工作時(shí)出現(xiàn)過(guò)載或者欠載的現(xiàn)象，其功率平衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

本文以某型刮板輸送機(jī)為例，其采用了頭部雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)、尾部單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制方式，由圖1 可知，在該控制系統(tǒng)中包括了變頻器、CAN 通信總線等，利用變頻器對(duì)各電機(jī)定子電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將其傳輸?shù)絇LC 控制中心，然后經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)給定控制轉(zhuǎn)速，利用具有直接轉(zhuǎn)矩控制能力的變頻器根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)各控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率的平衡控制，其平衡控制流程如圖2 所示[2]。

圖1 刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 根據(jù)負(fù)載變化的功率平衡控制流程

2 功率平衡控制系統(tǒng)

根據(jù)刮板輸送機(jī)功率平衡控制原理及井下實(shí)際工作需要，本文所設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖3 所示。在該控制系統(tǒng)中：I1表示輸送機(jī)機(jī)頭位置等效電機(jī)的定子電流，I2表示輸送機(jī)機(jī)尾位置的等效電機(jī)的定子電流，分別用于表示在機(jī)頭位置和機(jī)尾位置負(fù)載的變化情況，通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩比和系統(tǒng)設(shè)定值的對(duì)比來(lái)確定對(duì)各電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)量；K1—K5表示控制系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)系數(shù)。

在控制系統(tǒng)中，各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和其負(fù)載轉(zhuǎn)矩是呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，因此根據(jù)各電機(jī)的工作電流即可求出刮板輸送機(jī)的頭部和尾部的驅(qū)動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)矩比，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的額定功率配比，當(dāng)出現(xiàn)功率平衡不匹配時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩比來(lái)對(duì)刮板輸送機(jī)頭部和尾部的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整[3]，即：

圖3 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

式中：δ 為刮板輸送機(jī)頭部等效電機(jī)和尾部電機(jī)的轉(zhuǎn)速比；n1為刮板輸送機(jī)頭部等效電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；n2為刮板輸送機(jī)尾部電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；Sn為刮板輸送機(jī)頭部等效電機(jī)和尾部電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

假設(shè)工作時(shí)刮板輸送機(jī)頭部的等效驅(qū)動(dòng)電機(jī)和尾部電機(jī)的輸出功率為額定值，其等效轉(zhuǎn)速一致，則其換算關(guān)系可表示為[4]：

式中：N1為刮板輸送機(jī)頭部等效電機(jī)的輸出功率；N2為刮板輸送機(jī)尾部電機(jī)的輸出功率；i1為刮板輸送機(jī)頭部等效電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流；i2為刮板輸送機(jī)尾部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流。

在控制過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)刮板輸送機(jī)的頭部過(guò)載而尾部輸出功率不足時(shí)，需要調(diào)整刮板輸送機(jī)在尾部處鏈輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)平衡頭部驅(qū)動(dòng)鏈輪的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分擔(dān)量的大小可根據(jù)實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的偏差量進(jìn)行確定。當(dāng)刮板輸送機(jī)的頭部欠載而尾部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)載工作時(shí)，則需要調(diào)節(jié)尾部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，在調(diào)節(jié)的時(shí)候需要確保在各電機(jī)輸出功率平衡的基礎(chǔ)上確保頭部?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的協(xié)調(diào)性。

3 功率平衡控制系統(tǒng)的仿真研究

設(shè)定該功率平衡控制系統(tǒng)中刮板輸送機(jī)頭部和尾部的各驅(qū)動(dòng)單元的功率分配比為2∶1，設(shè)定工作時(shí)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，其工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩先為80 N·m，然后再增加至100 N·m，其仿真分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 負(fù)載波動(dòng)時(shí)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，刮板輸送機(jī)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流均在0.9 s 時(shí)開(kāi)始穩(wěn)定，當(dāng)其工作負(fù)載開(kāi)始變大后，各電機(jī)的電流均在約1.9 s 后開(kāi)始降低，但各驅(qū)動(dòng)電機(jī)處電流的幅值、相位均保持一致，表明該控制系統(tǒng)能夠很好的調(diào)整在載荷突變情況下的各電機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩情況，功率平衡控制效果顯著。

當(dāng)負(fù)載增加后，各電機(jī)的輸出功率同樣有相應(yīng)的變化，因此其功率變化統(tǒng)計(jì)如圖5 所示。

圖5 負(fù)載波動(dòng)時(shí)機(jī)頭和機(jī)尾的輸出功率變化情況

由仿真分析結(jié)果可知，在該控制系統(tǒng)的調(diào)控下，各電機(jī)的輸出功率的比例分配保持了和理論設(shè)定幾乎一致的情況（2∶1），實(shí)現(xiàn)了電機(jī)端部雙電機(jī)的等效功率和尾部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率的平衡控制。

4 結(jié)論

1）當(dāng)刮板輸送機(jī)工作時(shí)，各驅(qū)動(dòng)電機(jī)處電流的幅值、相位均保持一致，表明該控制系統(tǒng)能夠很好的調(diào)整在載荷突變情況下的各電機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩情況，功率平衡控制效果顯著。

2）在該控制系統(tǒng)的調(diào)控下，各電機(jī)的輸出功率的比例分配保持了和理論設(shè)定幾乎一致的情況（2∶1），實(shí)現(xiàn)了電機(jī)端部雙電機(jī)的等效功率和尾部驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率的平衡控制。