刮板輸送機變頻調速控制系統研究

解 喃

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046600）

引言

刮板輸送機作為我國煤礦一種重要運輸設備，其高效運行可以降本增效[1-2]。傳統的刮板輸送機重載啟動時常常會遇到強大的電網沖擊，使得啟動困難，同時多機驅動時，極易出現功率不匹配的現象。所以對刮板輸送機驅動系統進行優化研究是刮板輸送機優化設計的重要課題之一[3]。本文以凌志達煤業刮板輸送機為研究背景，采用變頻器對傳統驅動系統進行優化設計，為解決多機驅動不平衡、啟動難的問題提供一定的參考。

1 變頻驅動系統設計

刮板輸送機是由鏈條、鏈板、驅動裝置及溜槽等組合而成的，在驅動電機的運動作用下，將鏈板上的物料運輸至刮板輸送機機頭位置進行裝卸，從而實現物料的運輸。刮板輸送機驅動系統中一般包括減速器、耦合器及電動機。隨著智能化的不斷發展，目前變頻電動機得到了廣泛的發展。變頻電動機作為一種動力部件，設置合理的變頻控制策略可使其高效運轉，同時使得刮板輸送機高效運行。

對變頻電動機進行機械模型建立，電動機機械模型一般分為兩種，一種為電磁特性電動機，其模型較為復雜，求解時間較長；另一種為機械特性電動機。本文選定機械特性曲線建立模型，通過對電機的機械特性進行觀察，給出電機轉速與轉矩的關系。異步電機的轉速可以由公式（1）表示：

式中：f為電機電源頻率，Hz；p為電機的磁極對數；n0為同步電機轉速，r/min。

從公式（1）可看出，電動機的轉速與電源的輸出頻率有著直接的關系，呈現正比例形式，即隨著頻率的增加，電機的轉速在增加。當采用變頻電動機時，此時變頻器可進行電壓的調節，從而調節電機功率，使得電機的轉速得以控制，實現變頻控制。

在刮板輸送機啟動時，由于其載荷較大，所以啟動需要較大的轉矩。根據分析，選定恒轉矩的方式進行調速，維持轉矩的恒定。圖1所示為不同頻率電機的特性曲線。

圖1 不同頻率電機的機械特性

如圖1所示，f1和f2為不同的電源頻率，sm為臨界轉差率，Tst為啟動轉矩，TMm為電機的最大轉矩，n為轉速，n0為實時轉速。由圖1可以看出，變頻電動機的機械特性曲線類似于異步電機的特性曲線，改變頻率就可以得到相應的曲線，將改變頻率得出的所有曲線進行組合就是變頻電機的特性曲線。

在完成變頻電機的仿真模型后選用YBSS-1000三相異步電機，電機的變頻功率范圍為0～50 Hz，電機的啟動方式為直線啟動，電機額定功率為1 000 kW，額定電壓及額定電流分別為3 300 V和203 A，額定的轉矩和轉速分別為6 405 N·m和1 491 r/min。

建立刮板輸送機變頻驅動電學模型，將變頻調速作為目前啟動技術的熱門，其主要分為一體式變頻器和分體式變頻器兩類，考慮到一體式變頻器結構復雜、維修成本較高的特點，本文選定分體式變頻器。首先進行變頻器控制方式選擇，考慮到刮板輸送機啟動轉矩較大、對轉矩要求較高的特點，本文選定直接轉矩控制的方法，直接轉矩控制是基于定子磁場的一種控制方式，通過控制轉矩與磁鏈的誤差，從而得出調節信號，反向作用于變頻器，因此達到控制轉矩的效果。考慮到傳統的直接控制轉矩方法會導致電磁脈沖過大且逆變器不穩定，所以提出基于SVPWM的直接轉矩控制系統，如圖2所示。

圖2 基于SVPWM的直接轉矩控制系統

圖2中，usα和usβ均為極坐標下兩點間的電壓，usT和usM分別為直角坐標下原點到兩點間的電壓，ωr為轉速，TM為M點的轉矩，Ψs為磁通量。圖2為優化后的直接轉矩控制系統，其同樣是對轉矩和磁鏈間的誤差進行采集，從而通過SVPWM進行電壓矢量的合成，從而控制轉矩。轉速和磁鏈的給定信號通過PI進行無靜差調節后，將信號輸送至電壓的控制模塊，在經過電壓控制模塊對電壓考量后，得到相應的定子電壓，將定子電壓信號再傳回SVPWM模塊，此時逆變器開關得到控制且導通，從而達到控制電動機轉矩的目的。

為了驗證SVPWM系統仿真模型的可靠性，對電動機復雜情況進行仿真研究，通過仿真研究發現，當電機啟動時間在3 s前時，此時的轉速為線性增加，此時的啟動為恒轉矩模式；當電機啟動時間為6～8 s時，此時的電流開始穩定，同時優化后的變頻啟動系統較傳統啟動系統電流有了明顯的降低，對電網的沖擊減弱，有效地提升了其可靠性。

2 仿真研究

在得到變頻驅動電動機機械特性后對變頻驅動軟件進行開發，利用Visual C++和matlab對驅動系統進行編程，首先對驅動電機進行選型，在進入選型界面后選定變頻電機，輸入電機的機械模型，同時根據不同的裝載特性選擇驅動方式。當驅動系統為滿載時選定多機驅動方式，在界面內輸入電機的參數及信息。

對系統參數進行設定，根據運行需求對刮板輸送機運行過程及停機時間節點等進行設定，在滿載時采用雙機驅動，此時需要設置雙機的啟動時間、啟動方式、啟動時差等，用于滿足變頻調速。

對優化后的驅動系統進行仿真分析，選定凌志達煤業SGZ1000/2000型刮板輸送機進行仿真研究，對控制參數進行設定，預緊力的選定應當保證機頭機尾功率平衡且張力不小于0，同時在進行機頭機尾電機功率設定時同樣應當滿足功率平衡原則。空載及滿載機頭機尾電動機輸出轉矩仿真見圖3。

從圖3可以看出，優化后機頭機尾電動機的輸出轉矩大致重合，由此說明優化后機頭機尾電動機功率平衡，同時在很短的時間內機頭機尾電動機均達到理想轉矩。在空載情況時，僅需很短的時間機頭機尾電動機就達到理想轉矩，而在滿載情況下，由于負載較重，此時機頭機尾電動機啟動時間明顯較長，但達到平穩后，機頭機尾電動機功率平衡，有效解決了傳統驅動系統啟動機頭機尾電動機功率不平衡問題。

圖3 空載及滿載機頭機尾電動機輸出轉矩

3 結語

本文介紹了刮板輸送機變頻器的調速原理，并利用matlab軟件給出了變頻電動機機械模型，同時提出基于SVPWM的直接轉矩控制系統，對傳統直接轉矩控制系統進行了優化，給出了變頻電動機電學模型。利用Visual C++和matlab對驅動系統進行設計，利用仿真模擬對優化后的驅動系統空載及滿載機頭機尾電動機輸出轉矩進行研究發現，優化后的驅動系統有效地解決了機頭機尾電動機功率不平衡及啟動電流較大的問題。