刮板輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究

郝永強

（山西汾西礦業(yè)集團有限責任公司雙柳煤礦， 山西 呂梁 033300）

引言

刮板輸送機作為煤礦井下綜采面運輸散料的機械設備，在確保井下煤炭運輸，采煤機井下運輸、液壓支架井下移動方面具有重要作用[1]，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接決定了生產(chǎn)效率。刮板輸送機因特殊的工作用途，需要頻繁的重載啟動，傳統(tǒng)的驅(qū)動控制方式，不但啟動困難，同時在啟動時還需要消耗大量的電能，造成了極大的浪費，因此如何優(yōu)化刮板輸送機的驅(qū)動控制系統(tǒng)便成了迫切需要解決的難題。

1 刮板輸送機的負載特性分析

刮板輸送機是依靠刮板鏈為工作機構，以鏈傳動的原理進行工作的煤礦井下一種散料運輸設備，其傳動系統(tǒng)主要包括電機、減速機構、驅(qū)動鏈輪機構等組成[2]，其結構如圖1所示。

圖1 刮板輸送機運動機構示意圖

刮板輸送機系統(tǒng)在開始工作時，電機通電運轉(zhuǎn)，通過與電機相連接的液力耦合器、減速機構、鏈輪機構等，將動力傳遞給鏈輪，然后由鏈輪運轉(zhuǎn)，帶動刮板鏈開始在刮板輸送機的滑動槽內(nèi)連續(xù)不斷的運動，將鏈板上的煤炭等物料從輸送機的一端傳遞到另一端，在工作過程中，刮板輸送機系統(tǒng)的鏈輪承受著巨大的載荷，特別是在有負載沖擊和脈動的環(huán)境下，將極大的損耗刮板輸送機的使用壽命。

刮板輸送機在工作過程中，落煤時間、落煤重量的不規(guī)則性，使輸送機在工作中處于無規(guī)律的滿載、空載、超載交替變化的工況中，要滿足其正常使用要求，就需要刮板輸送機具有大的啟動轉(zhuǎn)矩，目前常用的刮板輸送機啟動時的過載系數(shù)為2.5～2.8[3]。刮板輸送機在頻繁的、無規(guī)律的重載啟動中將對輸送機造成斷鏈、零件磨損加劇、設備工作的可靠性降低、電機設備對電網(wǎng)電流的沖擊大等，嚴重影響煤礦用電設備的安全運行。

2 建立刮板輸送機的動力學模型

為了對刮板輸送機在負載情況下的運行狀態(tài)進行仿真分析，需要搭建刮板輸送機的動力學模型，以便進行更深入和精細化的研究。由于刮板輸送機在實際運行中，其動力學特性是非線性的，因此為了方便其動力學模型的建立，做出以下假設[4]：

1）煤礦井下刮板輸送機刮板的質(zhì)量和傳動鏈條的質(zhì)量是均勻的分散在輸送機的滑槽內(nèi)；

2）輸送機的滑槽剛度極大，在運行中不會發(fā)生形變，其傳動的鏈條有初張力，在運行過程中只有縱向振動，無橫向振動；

3）傳動鏈條具有均質(zhì)特性，在傳動過程中的阻力均集中在滑槽中部，運行阻力和運行速度呈線性關系。

根據(jù)以上假設，同時忽略刮板輸送機在運行過程中的實際輸送線路彎曲的影響，建立起刮板輸送機運行過程中的動力學模型，如圖2所示。

圖2 刮板輸送機動力學模型

其動力學模型的力學分析如下[5]：

式中：M為質(zhì)量系數(shù)；C為阻尼系數(shù)；K為剛度系數(shù)；F（t）為作用于各單元上的質(zhì)量載荷；W為各有限單元質(zhì)量所受的阻力。

3 基于直接轉(zhuǎn)矩的輸送機變頻控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制就是將電機和逆變裝置作為一個整體，在工作時以三相正弦電壓驅(qū)動異步電動機工作，在電機內(nèi)部產(chǎn)生具有恒定轉(zhuǎn)速和幅值的磁通量，電機在定子磁鏈的影響下進行工作，但輸入電壓的特性又控制著定子磁鏈的特性，進而影響電機的運行特性，因此若要確保輸送機在運行過程中的穩(wěn)定性，就需要控制輸送機電機的運轉(zhuǎn)特性，基于直接轉(zhuǎn)矩的輸送機變頻控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)原理圖

為了對基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)對刮板輸送機運行的調(diào)節(jié)情況進行驗證，根據(jù)刮板輸送機的實際配置情況，設置電機的額定電壓為110 V，額定功率為75 kW，額定電流為50 A，額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min，設置刮板輸送機為滿載啟動，啟動的時間是3 s，仿真的時間為10 s，然后對其工作情況進行分析，結構如圖4、圖5所示。

由分析結果可知，基于直接轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)控制刮板輸送機工作時，其運行速度會有輕微的波動，同時需要較長的時間才能進入到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，而輸送機的轉(zhuǎn)矩在啟動時會產(chǎn)生一定的波動，且這個波動量均為超過31 N·m，因此在使用變頻控制系統(tǒng)的情況下，能夠平緩工作過程中的轉(zhuǎn)矩情況，極大的降低了刮板輸送機系統(tǒng)在工作過程中的沖擊情況。

圖4 刮板輸送機轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 刮板輸送機轉(zhuǎn)矩波形圖

4 結語

使用變頻控制系統(tǒng)能夠平緩工作過程中的轉(zhuǎn)矩情況，極大降低了刮板輸送機系統(tǒng)在工作過程中的沖擊情況，不但實現(xiàn)了刮板輸送機在滿載情況下的“軟啟動”，而且極大降低了啟動時的電能消耗。