軟啟動(dòng)帶式輸送機(jī)電機(jī)功率平衡技術(shù)研究

李 強(qiáng)

(山西西山煤電股份有限公司 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

帶式輸送機(jī)是煤礦常見(jiàn)的機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)輸量大、運(yùn)輸距離長(zhǎng)、易于維修，因此廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)階段。近些年來(lái)，隨著煤礦自動(dòng)化和智能化設(shè)備的普及，煤炭的綜采能力大幅提升，因此對(duì)重點(diǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的皮帶輸送機(jī)的運(yùn)量、功率等都提出了更高要求。對(duì)于大型、長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)，為降低對(duì)輸送帶的強(qiáng)度要求、降低單電機(jī)功率、消除設(shè)備啟動(dòng)造成的電網(wǎng)沖擊，普遍采用多電機(jī)、多滾筒、軟啟動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。理想情況下，各臺(tái)具備軟啟動(dòng)功能的電機(jī)按其額定工作能力分配功率，但實(shí)際由于各種因素的影響，電機(jī)功率的分配將出現(xiàn)較大偏差，由此造成有的電機(jī)超載、燒毀，對(duì)安全、高效和穩(wěn)定生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[1-3]。

1 長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)主要由機(jī)頭傳動(dòng)部、改向滾筒、拉緊滾筒、拉緊配重、托輥、機(jī)尾傳動(dòng)部、給料裝置、輸送帶等組成。其中，輸送帶材質(zhì)為鋼芯膠帶，負(fù)責(zé)承載運(yùn)輸物，并承受拉緊張力；機(jī)頭和機(jī)尾傳動(dòng)部負(fù)責(zé)提供運(yùn)輸動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)輸送帶周期運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證啟動(dòng)和制動(dòng)的平穩(wěn)性，一般通過(guò)變頻器、軟啟動(dòng)器等進(jìn)行啟動(dòng)；由于輸送帶存在彈性變形和拉伸蠕變，因此采用拉緊滾筒和拉緊配重為輸送帶提供必要的張緊力，以保證卷筒與輸送帶之間有足夠的摩擦力[4-6]。

2 功率不平衡影響因素

對(duì)于帶式輸送機(jī)，造成各電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不平衡的因素主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 輸送帶彈性伸長(zhǎng)造成機(jī)頭位置電機(jī)超載、機(jī)尾電機(jī)欠載，且輸送帶的彈性模量越大，功率不平衡越嚴(yán)重，因此一般選用彈性模量較小的鋼絲繩芯輸送帶。

(2) 兩驅(qū)動(dòng)滾筒直徑偏差造成相應(yīng)電機(jī)功率不平衡，直徑越小，輸出功率越大。

(3) 相同型號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械特性也不可能完全相同，機(jī)械特性硬度越大，輸出功率越大。

3 電機(jī)功率分配方式

對(duì)于由首尾兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)，為保證電機(jī)負(fù)荷均勻，應(yīng)按各電機(jī)的額定功率比例對(duì)外負(fù)載功率進(jìn)行合理分配，具體如下：

W1∶W2=W1e∶W2e.

其中：W1、W2為兩電機(jī)的實(shí)際輸出功率，kW；W1e、W2e為兩電機(jī)的額定輸出功率，kW。

另外，首、尾電機(jī)的實(shí)際輸出功率之和即為外負(fù)載功率，因此：

Wg=W1+W2.

其中：Wg為外負(fù)載功率，kW。

由此可知，當(dāng)按電機(jī)的額定功率之比進(jìn)行外負(fù)載功率分配時(shí)，兩電機(jī)的實(shí)際輸出功率分別表示如下：

1-拉緊滾筒；2-拉緊配重；3-改向滾筒；4-機(jī)頭傳動(dòng)部；5-托輥；6-給料裝置；7-機(jī)尾傳動(dòng)部；8-輸送帶

4 電機(jī)功率平衡控制技術(shù)

電機(jī)的輸出功率Wg可表示如下：

其中：U為輸入電壓，V；I為輸入電流，A；η為電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率；cosθ為額定功率因數(shù)。

對(duì)于帶式輸送機(jī)電機(jī)，參數(shù)U、η、cosθ一般保持不變，因此，通過(guò)檢測(cè)輸入電流I的大小，就可對(duì)電機(jī)的輸出功率Wg進(jìn)行計(jì)算。另外，由于I與Wg呈正比例關(guān)系，因此，可將電流I作為輸出功率Wg的反映指標(biāo)。以首、尾兩電機(jī)檢測(cè)電流的平均值作為參考基準(zhǔn)，然后將各電機(jī)的檢測(cè)電流與此進(jìn)行對(duì)比，可知相應(yīng)電機(jī)電流(或輸出功率)與基準(zhǔn)值的偏離程度，具體如下：

其中：Ip為基準(zhǔn)電流值，A；I1、I2分別為首、尾電機(jī)的檢測(cè)電流，A。

則兩臺(tái)電機(jī)的電流偏差值A(chǔ)1、A2分別計(jì)算如下：

相應(yīng)帶式輸送機(jī)的電機(jī)功率不平衡度δ計(jì)算如下：

對(duì)于具備軟啟動(dòng)功能的帶式輸送機(jī)，其輸出功率調(diào)節(jié)采用液體黏性軟啟動(dòng)裝置，該裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)的輸出油壓來(lái)對(duì)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)。壓力增大時(shí)，輸出扭矩減小；反之，輸出扭矩增大。通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的偏差來(lái)決定是否需要對(duì)電機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)幅度。

電機(jī)功率平衡調(diào)節(jié)流程如圖2所示，利用電流互感器對(duì)兩電機(jī)的電流I1、I2進(jìn)行檢測(cè)，然后計(jì)算基準(zhǔn)電流Ip和A1、A2。當(dāng)電流偏差值|Ai|>5%(i=1,2)時(shí)，判定相應(yīng)位置的電機(jī)存在功率不平衡現(xiàn)象，需對(duì)該電機(jī)軟啟動(dòng)裝置的油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)電流偏差值|Ai|≤5%(i=1,2)，認(rèn)為電機(jī)當(dāng)前處于功率平衡狀態(tài)，不需要調(diào)節(jié)。以上控制過(guò)程，利用模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)，將油壓調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送至電液比例伺服閥，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)油壓和電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。另外，在帶式輸送機(jī)工作過(guò)程中，外負(fù)載功率基本不變，因此，在增大或減小一臺(tái)電機(jī)的輸出功率后，另一臺(tái)電機(jī)的輸出功率變化趨勢(shì)相反。

圖2 電機(jī)功率平衡調(diào)節(jié)流程

5 功率平衡效果評(píng)價(jià)與提升

5.1 功率平衡模擬仿真

為驗(yàn)證以上功率平衡方案的可行性，采用AMESim和MATLAB/Simulink建立聯(lián)合仿真模型，其中，軟啟動(dòng)控制裝置及帶式輸送機(jī)模型在AMESim中搭建?？偰M時(shí)間設(shè)置為60 s，軟啟動(dòng)時(shí)間約20 s左右，為進(jìn)一步對(duì)功率平衡的效果進(jìn)行對(duì)比分析，在設(shè)備啟動(dòng)40 s后加載功率平衡模塊，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出：在液體黏性軟啟動(dòng)裝置保護(hù)下，兩臺(tái)電機(jī)均平穩(wěn)啟動(dòng)，過(guò)程無(wú)沖擊，超調(diào)量較小，但隨著啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，功率不平衡現(xiàn)象逐漸明顯；在20 s～40 s內(nèi)，由于未加載功率平衡模塊，兩電機(jī)出現(xiàn)了嚴(yán)重的功率不平衡現(xiàn)象，不平衡度達(dá)到24%；在40 s時(shí)，開(kāi)始加載功率平衡模塊，約5 s后，兩電機(jī)的檢測(cè)電流值已基本一致，電機(jī)功率不平衡度下降至2.5%，此時(shí)已實(shí)現(xiàn)功率平衡目標(biāo)。上述模擬試驗(yàn)表明本文所述功率平衡技術(shù)方案效果明顯。

圖3 功率平衡仿真效果

5.2 功率平衡效果提升

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，對(duì)于由外負(fù)載大小差異引起的機(jī)頭和機(jī)尾功率不平衡現(xiàn)象，可采用按時(shí)間差順序啟動(dòng)電機(jī)予以解決，即機(jī)頭電機(jī)先啟動(dòng)，機(jī)尾電機(jī)后啟動(dòng)。此時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間差是功率平衡效果的重要影響因素。在模擬試驗(yàn)中，將啟動(dòng)時(shí)間差分別設(shè)置為1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s，穩(wěn)定運(yùn)行后的功率不平衡度仿真結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，隨著電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間差的延長(zhǎng)，功率不平衡度先減小后增大，在2.5 s時(shí)達(dá)到最小，僅為2.2%。

圖4 不同電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間差的功率不平衡度仿真結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離、大功率帶式輸送機(jī)是重要的煤炭運(yùn)輸設(shè)備，針對(duì)其中各電機(jī)的功率平衡問(wèn)題，本文首先對(duì)功率不平衡的引發(fā)因素進(jìn)行了分析，然后以雙電機(jī)帶式輸送機(jī)為例，提出了具體的功率平衡目標(biāo)，并對(duì)功率平衡的詳細(xì)技術(shù)方案進(jìn)行了研究，最后，利用聯(lián)合仿真軟件，對(duì)方案的實(shí)際效果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并對(duì)電機(jī)順序啟動(dòng)的時(shí)間差進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了功率平衡的效果。