關(guān)于DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器功率平衡的仿真分析

趙 征

（晉能控股煤業(yè)集團南河煤礦，山西 高平 048400）

1 帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)現(xiàn)狀

為了提高帶式輸送機的工作效率，使其能滿足生產(chǎn)需要，研究人員不斷嘗試加寬輸送帶帶寬、提高設(shè)備運行速度等方法，但對設(shè)備硬件的改造，對提升輸送機效率收效甚微。隨著變頻器技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，使得帶式輸送機的效率得到了極大提高，尤其是中高壓超大容量變頻器的出現(xiàn)，使帶式輸送機逐步向高速、重載、精準控制等方向發(fā)展[1]。

目前，帶式輸送機驅(qū)動控制系統(tǒng)有了多樣化的發(fā)展，如異步電機配減速箱的直驅(qū)系統(tǒng)、液力偶合驅(qū)動系統(tǒng)、異步電動機配WES 軟驅(qū)動控制、變頻器驅(qū)動控制等。目前基于PLC 控制器的帶式輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗電網(wǎng)沖擊能力強，在大型的帶式輸送機上應(yīng)用較多。該驅(qū)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動與軟停車，對設(shè)備起到了較好的保護作用，延長了設(shè)備的使用壽命[2]。

2 多電機驅(qū)動的功率平衡

隨著帶式輸送驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，對控制系統(tǒng)的要求也逐漸提高，尤其是目前大型帶式輸送機均采用多臺電機同時驅(qū)動，多電機的協(xié)同控制對增加輸送機的運量與長度具有重要作用。皮帶輸送機輸送帶具有較大的彈性，也可能存在不同電機差異、驅(qū)動滾筒不一致等都可能導(dǎo)致多電機驅(qū)動帶式輸送機驅(qū)動力不一致的情況，導(dǎo)致電機過載、電能浪費，甚至可能出現(xiàn)有的電機過載導(dǎo)致設(shè)備燒毀。

帶式輸送機工作主要依靠皮帶與滾筒之間的摩擦力傳遞載荷，對于皮帶而言摩擦力即是牽引力，但如果皮帶與滾筒之間產(chǎn)生滑動，摩擦力則可能減小。因此多電機驅(qū)動控制系統(tǒng)便需要控制電機的輸出功率，避免皮帶打滑。功率的平衡包括根據(jù)皮帶上負載調(diào)節(jié)電動機的輸出功率，保障皮帶對貨物的有效運輸，同時避免皮帶打滑[3]。

3 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 變頻器工作原理

變頻器可分為交流變頻與直流變頻兩類，交流變頻器使用范圍較窄，在此不再贅述。直流變頻器的工作原理是利用整流設(shè)備，將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷麟妱t可通過改變電源的頻率實現(xiàn)對電機輸出功率的條件。

3.2 變頻驅(qū)動單元

帶式輸送在啟動或停車過程中對變頻控制器要求較高，根據(jù)項目需求選擇了德國西門子的矢量變頻控制器MMST-BJ 型變頻器，該變頻器驅(qū)動單元主要由10 kV 電網(wǎng)、斷路器、變壓器、變頻器等結(jié)構(gòu)組成。該型變頻器驅(qū)動系統(tǒng)采用了三電平、智能控制、矢量控制等技術(shù)，與之匹配的三向異步電機額定容量為5.2 MVA，設(shè)備的額定電壓是3.6 kV。該變頻驅(qū)動控制器具有啟動電流小、啟動時間可設(shè)定等特點，對于保護設(shè)備、減小機械結(jié)構(gòu)之間的沖擊具有重要作用[4]。

3.3 驅(qū)動單元的主要設(shè)備

驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)中穩(wěn)流器選擇型號為9CSE80AA1，其電源額定電壓為2×3-ph1.2kV AC；變頻器整流器型號為SIMOV-ST，將兩個不可控橋式二極管分別連接到三相繞組的低壓電網(wǎng)上，從而形成一個穩(wěn)定可靠的12 脈沖低壓電源。逆變器由HS-IMJS 二極管、續(xù)流二級管和中點二級管構(gòu)成，利用二極管單相流動的特性，保障二極管上的電壓均勻分配。

4 Matlab 仿真模型

基于Matlab 建立帶式輸送機多電機驅(qū)動下的變頻器功率平衡分析模型，MATLAB 是由Math Works 公司研制開發(fā)一種強大的數(shù)學(xué)分析計算軟件，具有較強的矩陣計算能力、圖像處理、分析高效，具有許多分析模塊，可靠的分析工具。Matlab 其中包含Simulink 分析模塊，該模塊具有較強的仿真分析能力，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)仿真分析的一個集成式的通用平臺，可根據(jù)需求搭建仿真模型。

根據(jù)DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器原理構(gòu)建一個主回路，兩個從回路的仿真模型。回路采用閉環(huán)式矢量控制，外部控制器通過主回路、從回路按驅(qū)動系統(tǒng)的運動方程計算驅(qū)動電機的輸出值，主、從機轉(zhuǎn)矩計算模塊根據(jù)電動機在電磁轉(zhuǎn)矩方程計算而得，從而實現(xiàn)對不同驅(qū)動電機輸出功率的控制[5]。

5 仿真分析結(jié)果

5.1 帶式輸送機的啟動仿真

為了模擬帶式輸送機驅(qū)動電機啟動特征，選擇三臺驅(qū)動電機中的一臺進行仿真分析，此時選擇具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的1 號驅(qū)動電機。仿真分析該電機在啟動過程中，傳輸皮帶的力學(xué)特征，在t=0 s時，設(shè)定帶式輸送機的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為100 r/min，t=0.5 s 時，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為960 r/min，模擬分析帶式輸送機啟動動態(tài)仿真，圖1 為在模擬啟動過程中驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩以及速度隨時間波動變化情況[6]。

根據(jù)圖1 可知，帶式輸送機啟動實現(xiàn)了“S 形曲線”啟動，即在帶式輸送機啟動過程中只對速度進行兩次設(shè)定即可實現(xiàn)帶式輸送機的軟啟動，在實際應(yīng)用中帶式輸送機的軟啟動，既可降低對設(shè)備的沖擊，延長其使用壽命，又可以降低設(shè)備能耗，對提高經(jīng)濟效益具有重要作用。

圖1 帶式輸送機啟動過程動態(tài)仿真曲線

5.2 帶式輸送機的功率平衡仿真

分析帶式輸送機不同驅(qū)動電機在輸送機不同狀態(tài)下的驅(qū)動電機之間協(xié)同關(guān)系，在此選擇分析帶式輸送機的主驅(qū)動電機和兩個從驅(qū)動電機在動態(tài)載荷作用下，三臺驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。在模型構(gòu)建時設(shè)置變頻器、電動機等設(shè)備的參數(shù)與實際系統(tǒng)保持一致。帶式輸送機在t=0 s，開始施加負載轉(zhuǎn)矩T=400 N·m；t=1 s 時，將輸送機負載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為600 N·m。圖2 為三臺驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。

圖2 三臺驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩變化情況

根據(jù)帶式輸送機的功率平衡仿真分析結(jié)果，三臺驅(qū)動電機的輸出扭矩基本一致，無論是在剛啟動瞬間，還是中途增加輸送機負載扭矩的情況下，主動電機的輸出扭矩與從動電機的輸出扭矩基本維持在1∶1 左右，即可視為多電機驅(qū)動變頻器實現(xiàn)了良好的功率平衡問題，說明該變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)具有較好的調(diào)控能力。

根據(jù)DTC80 型帶式輸送機多電機變頻器結(jié)構(gòu)建立Matlab 動態(tài)仿真模型，分別對帶式輸送機啟動特性與對電機輸出功率平衡問題進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的緩啟動功能，同時對多電機的輸出功率控制具有很好的控制能力。

6 結(jié)論

帶式輸送機多電機之間的協(xié)同控制，有助于提高設(shè)備的工作效率、降低使用成本，因此對多電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究具有重要意義。基于現(xiàn)有的DTC80 型多電機驅(qū)動的帶式輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Matlab 構(gòu)建其動態(tài)仿真分析模型，分析研究該型帶式輸送機的啟動特性與動態(tài)特性。仿真分析結(jié)果表明，該驅(qū)動控制系統(tǒng)可達到設(shè)計的驅(qū)動控制要求，驅(qū)動電機在變頻驅(qū)動控制器的控制下可實現(xiàn)S 形曲線啟動，即可緩啟動；同時根據(jù)驅(qū)動控制系統(tǒng)動態(tài)仿真分析可知，驅(qū)動控制系統(tǒng)對各電機輸出轉(zhuǎn)矩控制較好，對主、從驅(qū)動電機之間的輸出基本實現(xiàn)了1∶1。該仿真系統(tǒng)分析成功對研究驅(qū)動控制系統(tǒng)性能具有重要參考，對于提高帶式輸送機結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要作用。