呼成林

(山西潞安集團(tuán) 李村煤礦， 山西 長治 046600)

刮板輸送機(jī)主要承擔(dān)煤礦井下運(yùn)煤任務(wù)，隨著綜采工作面產(chǎn)量的不斷提高，刮板輸送機(jī)的功率、運(yùn)輸距離以及運(yùn)煤量不斷增加，同時(shí)對其運(yùn)行的穩(wěn)定性要求也逐步提高。刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，其負(fù)載變化隨機(jī)性較大，重載啟動(dòng)、重載運(yùn)行情況較普遍，極易發(fā)生機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流過大、功率不平衡問題，損壞電動(dòng)機(jī)，還可能發(fā)生鏈條斷裂等重大事故[1]. 因此，研究并保證刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡可有效提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，減少故障發(fā)生率。國外學(xué)者對刮板輸送機(jī)功率平衡問題研究較早，如早在1993年，Sikora.W研究并分析刮板輸送機(jī)負(fù)載均衡問題，并給出保證刮板輸送機(jī)功率平衡的驅(qū)動(dòng)裝置。國內(nèi)對刮板輸送機(jī)功率平衡問題研究起步較晚，并主要研究刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過程功率平衡問題，如有學(xué)者基于參數(shù)預(yù)算、模糊控制理論，預(yù)測電動(dòng)機(jī)輸出電流實(shí)現(xiàn)功率平衡控制；或設(shè)計(jì)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的刮板輸送機(jī)功率平衡控制器[2-4]. 上述研究主要集中在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的功率平衡問題，對刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率平衡問題研究較少。本文采用電流識別負(fù)載加變頻調(diào)速方案，研究并設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率平衡方案。

1 功率平衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，機(jī)頭由兩臺電動(dòng)機(jī)加一臺變頻器組成，由變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺電動(dòng)機(jī)運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)“一拖二”的驅(qū)動(dòng)模式。機(jī)尾電機(jī)由一臺電動(dòng)機(jī)加一臺變頻器組成，該變頻器直接驅(qū)動(dòng)機(jī)尾電機(jī)運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)“一拖一”的驅(qū)動(dòng)模式。刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾變頻器是實(shí)現(xiàn)功率平衡控制的硬件系統(tǒng)，變頻器將獲取的電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)以CanOpen通信方式發(fā)送給PLC控制器，如輸出電流、狀態(tài)字、直流母線電壓、錯(cuò)誤代碼等；PLC控制器將控制命令以CanOpen通信方式發(fā)送給變頻器，如控制字、運(yùn)行模式等。

圖1 刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率與電流的關(guān)系可知，研究刮板輸送機(jī)功率平衡，即研究電動(dòng)機(jī)輸出電流平衡。當(dāng)刮板輸送機(jī)機(jī)頭或機(jī)尾負(fù)載變化時(shí)，PLC控制器根據(jù)當(dāng)前刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，控制變頻器對所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使得機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩差在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，避免機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)欠載或過載，從而實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制。

2 功率平衡控制原理

2.1 功率平衡控制思路

依據(jù)刮板輸送機(jī)工作原理以及刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，做如下假設(shè)：1) 將機(jī)頭的電動(dòng)機(jī)1以及電動(dòng)機(jī)2等效為機(jī)頭電動(dòng)機(jī)，將機(jī)尾電動(dòng)機(jī)1等效為機(jī)尾電動(dòng)機(jī)。2) 機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相同。3) 機(jī)頭、機(jī)尾負(fù)載變化由機(jī)頭電流i1以及機(jī)尾電流i2識別。

刮板輸送機(jī)功率平衡控制思路見圖2，當(dāng)i1/i2=1時(shí)，表明該時(shí)刻刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡；當(dāng)i1/i2≠1時(shí)，表明該時(shí)刻刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率不平衡。令Δi=i1-i2，當(dāng)Δi>0時(shí)，即i1>i2，機(jī)頭電動(dòng)機(jī)電流大于機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流，機(jī)頭電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過載，其輸出功率大于機(jī)尾電動(dòng)機(jī)輸出功率，此時(shí)應(yīng)提高機(jī)尾電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以分擔(dān)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)的負(fù)載；當(dāng)Δi<0時(shí)，即i1

圖2 刮板輸送機(jī)功率平衡控制思路圖

2.2 等效電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分析

根據(jù)假設(shè)，刮板輸送機(jī)各電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相同，機(jī)頭電動(dòng)機(jī)1以及電動(dòng)機(jī)2始終保持同步，即可將該兩個(gè)電動(dòng)機(jī)等效。已知三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性為[6-7]：

(1)

刮板輸送機(jī)機(jī)頭電機(jī)的等效機(jī)械特性為：

(2)

2.3 電動(dòng)機(jī)功率配比方案

采用恒功率控制方式，即保持機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)總功率不變，根據(jù)負(fù)載變化，改變機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)3臺電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制。3臺電動(dòng)機(jī)的額定功率為：

Pei=Teiωei

(3)

其中，Pei為3臺電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW；Tei為各電動(dòng)機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ωei為各電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，rad/s. 因3臺電動(dòng)機(jī)的額定功率相同，機(jī)械特性相同，則機(jī)頭電動(dòng)機(jī)1、電動(dòng)機(jī)2以及機(jī)尾電動(dòng)機(jī)1的額定功率分配比為1∶1∶1，機(jī)頭、機(jī)尾功率分配比為2∶1.

3 功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)功率平衡控制思路、等效電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分析以及電動(dòng)機(jī)功率配比方案設(shè)計(jì)刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)，見圖3，電流i1以及i2分別為機(jī)頭等效電動(dòng)機(jī)電流以及機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流，該電流值可反映機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩比與額定值轉(zhuǎn)矩比的差值來調(diào)節(jié)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到其功率比在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)的目的。圖3中，Δi=i1-i2，如果Δi在時(shí)間tmax內(nèi)持續(xù)大于0，且Δi>i2·5%，則表明此時(shí)刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)過載，應(yīng)提高機(jī)尾電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得機(jī)尾電動(dòng)機(jī)分擔(dān)機(jī)頭負(fù)載，達(dá)到機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡；如果Δi在時(shí)間tmax內(nèi)持續(xù)小于0，且Δi>i2·5%，則表明此時(shí)刮板輸送機(jī)機(jī)尾電動(dòng)機(jī)過載，應(yīng)提高機(jī)頭電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。Δi=0時(shí)，表明此時(shí)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率處于正常范圍，無過載現(xiàn)象發(fā)生。磁鏈調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器即給定值與實(shí)際反饋進(jìn)行比較，并經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，采用施密特調(diào)節(jié)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證定子磁鏈幅值與觀測值的差值在精度控制范圍之內(nèi)。轉(zhuǎn)矩觀測器和磁鏈觀測器采用U-N模型，可實(shí)現(xiàn)全速度范圍的定子磁鏈觀測，受負(fù)載影響較小，控制性能好，精確度較高。開關(guān)狀態(tài)選擇單元實(shí)質(zhì)是選擇電壓空間矢量開關(guān)信號，依據(jù)磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器信號來確定電壓空間矢量，并形成開關(guān)脈沖信號，控制PWM逆變器。

圖3 刮板輸送機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 語

刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可有效緩解機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不協(xié)調(diào)、系統(tǒng)抖動(dòng)大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生鏈條斷鏈的嚴(yán)重事故，保證刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)可提高刮板輸送機(jī)工作效率，延長電動(dòng)機(jī)使用壽命。在后續(xù)的研究中，可運(yùn)用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)預(yù)測機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率值，為功率平衡控制提供可靠的理論依據(jù)。