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刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)功率平衡控制優(yōu)化

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刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)功率平衡控制優(yōu)化

摘要:以如何平衡控制刮板輸送機(jī)首尾電動(dòng)機(jī)功率為研究對(duì)象,闡述了刮板輸送機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電流與電動(dòng)機(jī)的關(guān)聯(lián)性,分析了首尾電機(jī)功率平衡控制原理,在建立平衡控制系統(tǒng)后,利用LMSAMEsim軟件對(duì)建立的刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)仿真得知,進(jìn)行功率平衡控制優(yōu)化的刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性,為類似研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞:刮板輸送機(jī);功率平衡;LMSAMEsim;控制系統(tǒng);仿真

引言

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷提高,對(duì)刮板輸送機(jī)的輸送距離和煤炭運(yùn)量的要求愈發(fā)苛刻。由于輸送距離的增加和輸送負(fù)載的不斷變化,經(jīng)常導(dǎo)致刮板輸送機(jī)首尾處電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載失衡,電機(jī)功率過(guò)載的情況發(fā)生,在折損電機(jī)使用壽命的同時(shí)嚴(yán)重影響煤炭開(kāi)采挖掘效率。因此,本文從探索刮板輸送機(jī)首尾電機(jī)功率平衡點(diǎn)出發(fā),對(duì)其控制優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。

1刮板輸送機(jī)負(fù)載相關(guān)參數(shù)的分析

1.1負(fù)載阻力與電機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)分析

在傳輸煤炭時(shí)產(chǎn)生的阻力是刮板輸送機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載來(lái)源,負(fù)載主要有以下四點(diǎn):1)重載運(yùn)行阻力,傳輸零部件以及煤炭等貨物的傳動(dòng)阻力;2)空載運(yùn)行阻力,傳輸零部件空載轉(zhuǎn)回時(shí)的傳動(dòng)阻力;3)刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇Γ?)刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力;其中,重載運(yùn)行阻力與空載運(yùn)行阻力的大小由輸送機(jī)上煤炭負(fù)載的變化決定。刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力,該部分阻力包括了鏈輪驅(qū)動(dòng)將輸送刮板彎曲而產(chǎn)生的力等,計(jì)算非常復(fù)雜,通常情況下按照重載運(yùn)行阻力和空載運(yùn)行阻力疊加后的10%來(lái)估算,這意味著彎曲阻力可以由負(fù)載變化來(lái)決定[1]。刮板鏈下?lián)闲纬傻膹澢枇κ怯捎诠伟彐溳斔途嚯x過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致輸送板下?lián)隙a(chǎn)生的。在刮板輸送機(jī)工作狀態(tài)時(shí),水平彎曲力相較刮板鏈繞過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪所產(chǎn)生的彎曲阻力幾乎相同。因此,可以將水平彎曲阻力也由負(fù)載而產(chǎn)生的運(yùn)行阻力來(lái)描述。綜上所述得知:刮板輸送機(jī)上產(chǎn)生的阻力均可由輸送機(jī)上負(fù)載表示,輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載的關(guān)系式如下:式中:W為輸送機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的阻力之和,N;TL為正常工況下負(fù)載的轉(zhuǎn)矩,N•m;T為輸送機(jī)兩側(cè)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,N•m;v為刮板鏈傳動(dòng)速度,m/s;ω為輸送機(jī)首尾電機(jī)額定角速度,rad/s;ηc為傳動(dòng)效率。式中可以看出,刮板輸送機(jī)兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與輸送機(jī)的阻力成正比,同時(shí)結(jié)合上述分析,刮板輸送機(jī)的阻力變化均由輸送負(fù)載決定,因此可以通過(guò)調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)應(yīng)對(duì)輸送機(jī)阻力的變化。1.2電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)聯(lián)分析刮板輸送機(jī)一般選型為三相異步電動(dòng)機(jī),根據(jù)該類型電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)特性曲線可以看出,當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)差率會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢(shì)相同。由此可以確定,在兩端電機(jī)的功率有著穩(wěn)定的功率比時(shí),刮板輸送機(jī)電機(jī)電流也會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化而變化且趨勢(shì)相同[2]。綜合上述分析可以得出,刮板輸送機(jī)上采煤負(fù)載阻力的變化情況可以由觀察刮板輸送機(jī)首尾兩端的電動(dòng)機(jī)的電流變化來(lái)判定。

2首尾電機(jī)功率平衡控制原理

刮板輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是由三臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)組成,設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)的電機(jī)功率為正常工況下滿負(fù)荷輸送煤炭量的120%,且通常選用防爆型電機(jī),兩臺(tái)在刮板輸送機(jī)機(jī)頭,一臺(tái)在機(jī)尾。功率平衡控制系統(tǒng)的原理是:通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電流的變化進(jìn)而判斷輸送機(jī)負(fù)載阻力的變化,進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,使電機(jī)功率匹配不斷變化的負(fù)載,控制刮板輸送機(jī)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,預(yù)防電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象[3]。刮板輸送機(jī)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是一致的,為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算,將刮板輸送機(jī)機(jī)頭部分的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)等效成一臺(tái),其功率和額定轉(zhuǎn)矩是原電機(jī)的兩倍。通過(guò)比較首尾處等效電動(dòng)機(jī)的電流大小,判斷刮板輸送機(jī)各個(gè)電機(jī)的負(fù)載情況,機(jī)首的電動(dòng)機(jī)電流為i1,通過(guò)機(jī)尾的電動(dòng)機(jī)電流為i2,i1-i2=△i。若△i=0時(shí),說(shuō)明各處的電動(dòng)機(jī)功率平衡,刮板輸送機(jī)的負(fù)載在正常區(qū)間;若△i>0且△i電流與i2電流的比值大于1∶20時(shí),即i2電流占比高于均值5%以上。可以判定機(jī)首處電機(jī)存在過(guò)載;由于轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率成正比,可增加機(jī)首處電機(jī)轉(zhuǎn)速,加大對(duì)機(jī)首電機(jī)鏈輪的拖動(dòng)力,從而平衡過(guò)載;當(dāng)△i<0且△i電流與i1電流的比值大于1∶20時(shí),即i1電流占比高于均值5%以上??梢耘卸C(jī)尾處電機(jī)存在過(guò)載。由于轉(zhuǎn)速和電機(jī)功率成正比,可增加機(jī)尾處電機(jī)轉(zhuǎn)速,加大對(duì)機(jī)尾電機(jī)鏈輪的拖動(dòng)力,從而平衡過(guò)載[4-5]。具體控制原理如圖1所示。

3首尾電動(dòng)機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的建立

根據(jù)上述平衡控制方案,針對(duì)常規(guī)刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)了一套平衡控制系統(tǒng),如圖2所示。平衡控制系統(tǒng)有3部分組成:CAN總線傳輸刮板輸送機(jī)電機(jī)數(shù)據(jù);煤礦專用變頻器轉(zhuǎn)化電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù);PLC控制器控制判斷電機(jī)功率平衡。由于輸送機(jī)首尾電機(jī)距離過(guò)遠(yuǎn),常規(guī)線路連接可能會(huì)出現(xiàn)傳輸偏差或延遲,為保證通訊速率,系統(tǒng)采用CAN線與輸送機(jī)首尾電機(jī)相連[6],用于實(shí)時(shí)傳輸刮板輸送機(jī)電機(jī)電流數(shù)據(jù)。PLC編程控制器具備接收電流信號(hào)的接口,在收到首尾電機(jī)的電流數(shù)據(jù)后,通過(guò)功率平衡控制程序判斷處理,傳輸給變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào);變頻器具備能夠直接調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩的功能,通過(guò)CAN總線分別控制調(diào)整刮板輸送機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。

4仿真分析

利用LMSAMEsim軟件模擬建立刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng),模擬某刮板輸送機(jī)工作狀態(tài),該輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為180A,機(jī)尾電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)矩電流為160A。根據(jù)已知的電機(jī)分布情況,兩臺(tái)在刮板輸送機(jī)機(jī)頭,一臺(tái)在機(jī)尾。通過(guò)第1.1節(jié)分析可知,刮板輸送機(jī)頭、尾部分電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,負(fù)載轉(zhuǎn)矩比例為9∶4。該刮板輸送機(jī)電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速如圖3所示,仿真分析檢測(cè)平衡控制系統(tǒng)。圖3中可知,在未進(jìn)行平衡控制前,電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩比例并不平衡,機(jī)頭處電機(jī)轉(zhuǎn)速較機(jī)尾處電機(jī)偏低的原因是機(jī)頭的負(fù)載較大。隨著平衡策略控制調(diào)整,使得刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)速提升并在3s時(shí)趨于穩(wěn)定;機(jī)尾的電機(jī)轉(zhuǎn)速在平衡策略控制調(diào)整后,機(jī)尾的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低,最后低于機(jī)頭部分電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,分擔(dān)了負(fù)載阻力。圖4為刮板輸送機(jī)機(jī)尾部分驅(qū)動(dòng)側(cè)鏈輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化圖,從圖中可以看出,機(jī)尾部分驅(qū)動(dòng)鏈輪的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化與機(jī)尾轉(zhuǎn)速變化成反向趨勢(shì),這說(shuō)明了平衡控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,改變了負(fù)載不平衡的狀況。下頁(yè)圖5為刮板輸送機(jī)機(jī)頭與機(jī)尾部分鏈輪嚙合點(diǎn)和分離點(diǎn)張力變化圖,圖中可以看出:隨著平衡控制系統(tǒng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速后,機(jī)頭機(jī)尾部分的張力存在波動(dòng),波動(dòng)幅值趨于穩(wěn)定。說(shuō)明平衡控制策略對(duì)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較??;機(jī)頭部分鏈輪嚙合點(diǎn)張力下降,機(jī)尾部分鏈輪嚙合點(diǎn)張力上升。在計(jì)算后發(fā)現(xiàn),頭、尾部電動(dòng)機(jī)的功率在調(diào)整后處于平衡狀態(tài)。

5結(jié)論

1)刮板輸送機(jī)首尾電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是否存在過(guò)載可根據(jù)首尾電動(dòng)機(jī)電流的大小來(lái)判斷。當(dāng)過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生,PI控制器發(fā)送調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的信號(hào)到平衡控制系統(tǒng)中的礦用變頻器,改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;利用電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系,通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。2)設(shè)計(jì)的平衡控制系統(tǒng)通過(guò)LMSAMEsim軟件模擬電動(dòng)機(jī)過(guò)載情況,平衡控制系統(tǒng)在判定過(guò)載后進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。首尾電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,機(jī)尾處電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩升高,證明功率平衡系統(tǒng)有效地分擔(dān)了過(guò)載電動(dòng)機(jī)的負(fù)載;通過(guò)觀察鏈條特殊點(diǎn)張力情況,發(fā)現(xiàn)該功率平衡控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)載后,系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

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作者:王雙虎 單位:潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司