刮板輸送機變頻驅動控制系統的研究

劉偉峰

（陽煤寺家莊有限責任公司機運部修配隊， 山西 昔陽 045300）

引言

刮板輸送機是綜采工作面與采煤機、液壓支架配套的關鍵設備，不僅可為采煤機提供行走軌道，而且可為液壓支架提供推溜支點。在實際生產中，由于綜采工作面煤層的變化、地板的起伏變化等因素，需對采煤機截割速度和行走方向實時控制，此時對應的刮板輸送機的工況也實時變化[1]導致刮板輸送機發生故障，尤其是刮板輸送機在重載啟動、載荷突變工況下運行時往往會刮板鏈條拉斷、卡鏈等事故。為此，將變頻驅動控制技術應用于刮板輸送機的驅動控制中，具體闡述如下：

1 變頻驅動控制系統的總體設計

變頻驅動控制系統由機械傳動系統、液壓控制系統、潤滑冷卻系統和電氣控制系統四部分組成。其中：機械傳動系統的核心為齒輪傳動部件和液力耦合器組成；液壓控制系統為各類液壓控制元器件，包括管路、液壓閥等組成；潤滑冷卻系統主要是對整個驅動控制系統的冷卻；電氣控制系統的核心為PLC控制器和變頻器以及各類相關采集設備運行參數的傳感器和信號處理系統[2]。文章主要對機械傳動系統、液壓控制系統、電氣控制系統三部分總體設計展開分析。

1.1 機械傳動系統的總體設計

刮板輸送機變頻驅動控制系統的機械傳動系統的結構如圖1所示：

如圖1所示，刮板輸送機變頻驅動控制系統的機械傳動由動力輸入端、齒輪傳動部件、液力耦合器、動力輸出端組成。其中，齒輪傳動系統為直角型三級齒輪減速器；動力輸出端為行星齒輪減速器；液力耦合器由摩擦副、液壓油缸、彈簧以及相關密封片等組成。

圖1 機械傳動系統結構簡圖

1.2 液壓控制系統的總體設計

刮板輸送機變頻驅動控制系統的液壓控制系統原理圖如圖2所示：

圖2 液壓控制系統原理圖

如圖2所示，在柱塞泵、伺服閥等液壓元器件的作用下控制液壓油缸的壓力，并將液壓油缸的壓力傳遞至液力耦合器上，從而實現對輸出轉矩的控制。

1.3 電氣控制系統的總體設計

電氣控制系統控制核心為PLC控制器和變頻器，具體原理如下：由現場各類傳感器對刮板輸送機的運行狀態參數進行采集，并將所采集到的數據通過PLC控制器進行分析，結合刮板輸送機的實時運行煤層、頂底板情況對得出相應的控制指令，從而實現對變頻器的控制，變頻器通過電機的控制完成對刮板輸送機運行參數的調整和控制[3]?；谧冾l器的電氣控制如圖3所示：

圖3 基于變頻器的電氣控制原理圖

其中，現場傳感器包括有離合器溫度傳感器、油溫傳感器、液位傳感器以及油壓傳感器等。此外，基于電氣控制系統還能夠實時對刮板輸送機的故障信息進行報警，并將其實時運行參數顯示于上位機顯示機上，便于用戶的觀察。

2 變頻驅動控制系統的元器件選型

實現對刮板輸送機變頻驅動控制的核心為PLC控制器、變頻器和現場所需的監測刮板輸送機運行參數的各類傳感器。

2.1 PLC控制器的選型

PLC控制器是當前工業生產中實現自動化、智能化控制廣泛應用的設備，結合工業選型經驗和刮板輸送機變頻控制的需求，所選型PLC控制器為S7-300系列。其中，為PLC控制器配置PS307電源模塊、315-2DPCPU模塊、SM321數字量輸入模塊、SM322數字量輸出模塊、SM331模擬量輸入模塊、SM332模擬量輸出模塊、IM365接口模塊以及CP343-1通訊模塊等模塊完成PLC控制系統的總體設計[4]。

結合刮板輸送機變頻驅動控制的控制需求，為其系統配置模擬量輸入模塊為8路，模擬量輸出模塊為4路，數字量輸入模塊為96點，數字量輸出模塊為48點。

2.2 變頻器的選型

變頻器選型的主要依據為其容量。在正常運行過程中，刮板輸送機電機的負載電流計算如式（1）所示：

式中：P為刮板輸送機的額定功率，取1 600 kW；cosφ為刮板輸送機驅動電機的功率因數，取0.75；U為刮板輸送機額定電壓，380 V。

將數值代入公式可得，刮板輸送機的負載電流值為3.24 kA。

由于刮板輸送機在實際應用中不僅存在滿載啟動的工況，還存在空載運輸的工況。因此，一般情況下將刮板輸送機的平均力矩設定為其額定力矩值的1.3～1.6倍。而對于電動機可為變頻驅動系統提供的最大轉矩應為其額定負載轉矩的1.8～2倍[4]。因此，變頻器的容量計算公式如式（2）所示：

式中，PCN為變頻器的容量；K為安全系數，取2；ηM為三相異步電動機的效率，取0.85

將數值代入公式得，頻器的最小容量為3346kW。

結合變頻器實際運行時的負載電流值和最小容量值，最終選型變頻器的型號為BPJV1-3500/3.5。該變頻器的額定容量為3 500 kW，滿足要求；額定電流值為3.5 kA，滿足要求。

3 變頻驅動控制系統性能的仿真分析

針對刮板輸送機變頻驅動控制功能的實現，結合工業傳統控制策略的對比，擬采用PID控制器完成對刮板輸送機的變頻驅動控制[5]。其中，變頻驅動器中的比例環節參數為5.5，積分環節參數為1/4.75，微分環節參數為0.05。

本文以SGZ1 000/2×1 000型刮板輸送機為原型建立三維模型，對其變頻驅動控制系統的性能進行仿真分析，主要對空載、卡鏈工況下變頻驅動控制的特性進行分析。

3.1 空載啟動工況下仿真結果分析

刮板輸送機采用S形加速曲線啟動，設定總仿真時間為40 s。仿真結果如圖4所示：

圖4 刮板輸送機空載變頻啟動特性

3.2 卡鏈工況下仿真結果分析

本文對刮板輸送機刮板鏈卡死工況下的變頻驅動控制系統的性能進行仿真分析，設定仿真時間為40 s時出現刮板鏈卡死的現象，并對刮板鏈卡死25 s后的性能進行仿真分析，仿真結果如圖5所示：

如圖5所示，當在40 s時出現卡死工況后，鏈輪轉速迅速下降并在振蕩將近10 s轉速將為0，從而實現了對刮板鏈及鏈輪的保護。

圖5 刮板鏈卡死工況下變頻驅動系統的啟動特性

4 結論

1）為刮板輸送機變頻驅動控制系統配置PLC控制器的型號為S7-300系列，配置變頻器的型號為BPJV1-3 500/3.3；

2）將PID控制算法應用于對變頻驅動控制系統的控制中，且比例環節參數為5.5，積分環節參數為1/4.75，微分環節參數為0.05；

3）經仿真分析可得，本文所設計的變頻驅動控制系統在空載狀態下可按照S形曲線完成啟動，在卡鏈工況下可實現對刮板鏈和鏈輪的保護。