帶式輸送機驅動控制系統的優化研究

杜浩斌

（挖金灣煤業公司運銷站， 山西 大同 037003）

引言

帶式輸送機是煤礦井下綜采作業的核心，直接關系到井下物料輸送的安全性和效率，特別是隨著多點驅動輸送機的廣泛應用，對輸送機運行時的穩定性和可靠性提出了更高的要求。傳統輸送機系統多采用“變頻器+異步電機+減速器+聯軸器”的控制模式，導致其在實際使用過程中存在著較大的動能傳遞損失，而且由于輸送帶存在著較大的彈性，導致動力傳遞具有滯后性，造成輸送機不同位置的驅動電機功率輸出波動大、平衡性差，而且張緊裝置反應速度慢，無法及時對輸送帶的張力進行調節，這些都導致輸送機系統在運行過程中啟動沖擊大、故障率高和經濟性差，嚴重影響著井下物料運輸的安全性和經濟性。

結合輸送機穩定傳輸的需求，本文提出了一種新的帶式輸送機驅動控制系統，該系統采用了集中控制模式，利用永磁電機驅動穩定、經濟性好的優點，實現了輸送機系統的雙閉環矢量控制、多電機平衡協同控制、智能永磁張緊，將輸送機系統的運行故障率降低了76.4%，使輸送機系統的單機運行費用節約了120萬元/年，對提高輸送機系統的運行穩定性和經濟性具有十分重要的意義。

1 雙閉環矢量控制邏輯

輸送機在井下運行的過程中經常處于重載狀態，此時對輸送機系統的啟動轉矩和啟動穩定性要求很高，傳統的異步電機驅動系統在啟動過程中的啟動電流會達到額定電流的6 倍以上，而其產生的實際有效轉矩僅為額定轉矩的0.8 倍。雖然變頻器能夠適當地降低啟動時的電流沖擊，但在低頻控制模式下的驅動系統穩定性差，無法滿足低速重載啟動需求。

本文提出了一種新的輸送機啟動系統，其以永磁電機為核心，通過雙閉環矢量控制來滿足輸送機系統在不同情況下的柔性啟動需求。該輸送機控制系統的布局如圖1 所示[1]。

圖1 輸送機雙閉環矢量控制系統

為了滿足矢量控制的需求，將輸送機系統上的各個驅動電機均換成了“永磁直驅電機+聯軸器”的控制模式，該永磁電機對滾筒位置和轉速的反饋通過編碼器來進行。該控制系統的核心為雙閉環矢量控制算法及模糊優化決策系統，能夠根據輸送機系統的負載來靈活地調整輸送機的運行帶速。通過監測輸送機運行帶速和驅動電機的工作電流，實現雙閉環反饋控制，以及對輸送機運行狀態的智能、快速調整。

2 多電機平衡協同控制

為了克服傳統多電機驅動輸送機在運行過程中普遍存在的電機功率不平衡、使用壽命低、安全性差的問題，本文提出了一種新的多電機平衡協同控制策略[2]。其控制邏輯如下頁圖2 所示，圖2 中Tx表示不同傳動階段的電機輸出轉矩。

圖2 多電機平衡協同控制示意圖

以頭部和中部兩點驅動系統為例，以輸送機頭部的永磁電機為主傳動系統，以中部的永磁電機為從動傳動系統，以主電機的輸出轉矩作為平衡各從動電機轉矩的基礎。在工作過程中輸送機系統首先獲取整個輸送機運行時所需的總轉矩，然后根據主電機的輸出轉矩計算出從動電機的理論輸出轉矩，之后將該信號作為輸入控制量來控制從動電機的轉速和輸出轉矩，同時系統對其實際輸出轉矩和理論輸出轉矩進行對比并修正，保證實際輸出轉矩的準確性，從而實現輸送機系統各個驅動電機輸出轉矩的平衡。

3 輸送機智能永磁張緊控制

由于輸送機的輸送帶是黏彈性的結構，能夠存儲大量的能量，在傳遞過程中具有較大的滯后性，因此傳統的液壓張緊裝置在工作時存在張緊不及時、反應速度慢的缺陷，無法根據輸送機狀態實現快速調整，因此本文提出了一種新的以永磁電機為基礎的三閉環張緊控制邏輯，其結構如圖3 所示[3]。

圖3 三閉環張緊控制邏輯示意圖

由圖3 可知，該控制系統為三層閉環控制邏輯[4]，其中第一層為外環控制，以系統預設的張緊力為控制基礎，實施后續指令控制；第二層為中環控制，利用的是速度控制模式，實現輸送帶在快速移動過程中的聯動控制；第三層為內環控制，采用的是力矩控制環，根據永磁電機的輸出力矩來實現反饋控制。

三閉環張緊控制模式的優點在于采用三重保護控制邏輯，有效地避免了輸送帶在波動情況下張力傳遞滯后導致的監測不穩定、張力調節滯后的不足。

4 防打滑控制

輸送機在運行過程中，若輸送帶出現張力波動，則極易產生打滑，頻繁地打滑不僅會影響輸送帶的使用壽命，而且會導致物料散料等，嚴重影響輸送機系統的運行穩定性。本文提出了一種新的輸送機防打滑控制系統，其利用電子監測設備對輸送機驅動滾筒的轉速進行實時監測，同時將滾筒轉速和對應驅動電機的轉速進行對比，若轉速超過設定轉速的4%時，系統就判定出現了打滑，則立刻激活防打滑控制邏輯，以降低驅動電機的輸入電流，同時張緊裝置啟動，增加輸送帶的張緊力，直到轉速差恢復到安全值以內。

該控制系統的優點在于通過速度差判斷是否打滑，能夠快速準確地對打滑作出調整，反應速度快、靈敏度高。其防打滑控制策略如圖4 所示[5]。

圖4 防打滑控制邏輯

5 應用效果分析

以雙點驅動輸送機為例，將該驅動控制系統按照上述方案進行改造后，節約了人工費用、運行電費節約120 萬元/年，輸送機系統在運行過程中的故障數量由最初的24.7 次/月降低到了目前的5.8 次/月，平均降低了76.4%，極大地提升了輸送機系統的應用穩定性和可靠性，具有極大的應用價值。

6 結論

1）雙閉環矢量控制通過監測輸送機運行帶速和驅動電機的工作電流，實現對輸送機運行狀態的智能、快速調整。

2）多電機平衡協同控制策略，克服了傳統多電機驅動輸送機在運行過程中普遍存在的電機功率不平衡、使用壽命低、安全性差的不足。

3）三閉環張緊控制邏輯，有效地避免了輸送帶在波動情況下張力傳遞滯后導致的監測不穩定、張力調節滯后的不足。

4）輸送機防打滑控制系統，通過速度差判斷是否打滑，能夠快速準確地對打滑作出調整，反應速度快、靈敏度高。