刮板輸送機雙機變頻驅(qū)動功率平衡控制研究

王 浩

(山西焦煤集團(tuán) 技術(shù)中心， 山西 太原 030021)

刮板輸送機作為綜采工作面的“三機”之一，在煤炭生產(chǎn)過程中具有重要的作用，設(shè)備本身的安全性和可靠性是影響煤炭開采效率的重要因素。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況可知，刮板輸送機在運行過程中主要存在3個問題[1-3]：1) 設(shè)備載重頻繁，電能消耗較大，影響到工作面其他機電設(shè)備的正常運行。2) 設(shè)備帶載時重啟困難，容易對機電設(shè)備內(nèi)部裝置造成沖擊，損壞設(shè)備。3) 對于大功率重載設(shè)備，一般采用兩臺或多臺電動機進(jìn)行驅(qū)動，由于電機的差異性容易出現(xiàn)功率不平衡現(xiàn)象，影響設(shè)備正常使用。

針對雙機驅(qū)動時刮板輸送機易出現(xiàn)驅(qū)動功率不平衡現(xiàn)象，以某礦重型刮板輸送機為例，對驅(qū)動平衡控制進(jìn)行研究。

1 刮板輸送機負(fù)載特性研究

刮板輸送機在運行過程中是以鏈條進(jìn)行連接傳動，在電機開啟后將輸送的動力傳遞至動力耦合系統(tǒng)和減速系統(tǒng)，經(jīng)過雙系統(tǒng)的耦合配對、調(diào)校后傳遞至鏈輪機軸帶動鏈條進(jìn)行轉(zhuǎn)動，促使刮板鏈在刮板輸送機的中部凹槽內(nèi)進(jìn)行循環(huán)運動。此時刮板輸送機將采煤機截割下來的煤炭運輸至機頭處，然后卸載給轉(zhuǎn)載機，完成煤炭的輸送。

目前，刮板輸送機的動力供給一般是采用鼠籠式異步電動機，該電機的優(yōu)良特性造就了刮板輸送機在運輸煤炭過程中具有較高的穩(wěn)定性和耐用性。但是由于采煤工作面的復(fù)雜特性導(dǎo)致采煤機截割煤壁后落入刮板輸送機上的煤炭具有一定的沖擊性和頻繁性，給電機持續(xù)穩(wěn)定的功率輸送造成一定的影響。在這種情況下，如果電機采用直接啟動的方式，會導(dǎo)致驅(qū)動機械電力系統(tǒng)占用較大的電流，迫使其他系統(tǒng)電流較小，影響該電流分支上用電設(shè)備的正常運行，導(dǎo)致刮板輸送機出現(xiàn)功率不平衡狀態(tài)，刮板輸送機的正常運行受阻。為此，相關(guān)機電設(shè)備制造廠研制了一種大轉(zhuǎn)矩電機，以便應(yīng)對該類狀況。某礦重型刮板輸送機電機負(fù)載特性曲線見圖1，其正常工作時電壓為3.3 kV，電流為198.1 A，轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，過載系數(shù)為3.8，特別適合重載、滿載啟動。

圖1 某礦重型刮板輸送機電機負(fù)載特性曲線圖

由圖1分析可知，在刮板輸送機啟動時，瞬時電流(I)達(dá)到額定電流(In)的8倍以上，此時電路受到較大電流的沖擊，影響其他用電設(shè)備的正常運行；而轉(zhuǎn)矩在開始時緩慢增加，達(dá)至某一瞬間呈現(xiàn)劇增趨勢后陡然下降，轉(zhuǎn)矩的急劇變化嚴(yán)重影響刮板輸送機的平穩(wěn)運行。因此，采用順序啟動方式可有效降低刮板輸送機瞬時啟動電流，緩解轉(zhuǎn)矩突變。

2 不平衡因素分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立刮板輸送機仿真模型，模擬采煤過程中煤體落入刮板輸送機后設(shè)備在運行過程中的電流變化特性，分析影響刮板輸送機雙機驅(qū)動的不平衡因素。

2.1 不同負(fù)載對雙機功率平衡的影響規(guī)律

由于刮板輸送機在不同負(fù)載時雙機運行狀態(tài)具有明顯的差異性，分別選取具有代表性的3類情況進(jìn)行分析，主要研究空載、50%額定載荷和滿載2種情況下刮板輸送機的運行特征，見圖2.

圖2 不同負(fù)載下雙機電流曲線圖

由圖2可知，刮板輸送機空載時，從啟動到平穩(wěn)運行，機頭電動機與機尾電動機輸出電流不存在明顯的差異性，無功率不平衡現(xiàn)象。此外，刮板輸送機在50%載荷作用下和滿載作用下進(jìn)行運轉(zhuǎn)時，從啟動到平穩(wěn)運行過程中，機頭電動機與機尾電動機輸出電流呈現(xiàn)明顯的不平衡特征。當(dāng)刮板輸送機平穩(wěn)運行后，50%載荷作用下的機頭電動機輸出電流約為126 A，機尾電動機輸出電流約為104 A，其功率不平衡度約為19.3%；而滿載作用下機頭電動機輸出電流約為176 A，機尾電動機輸出電流約為142 A，其功率不平衡度約為35%. 由此可以看出，刮板輸送機雙機驅(qū)動功率的不平衡度隨著負(fù)載的增大而增大。

2.2 啟動間隔對雙機功率平衡的影響規(guī)律

一般情況下，采用順序啟動方式能夠有效解決刮板輸送機有載情況下出現(xiàn)的功率不平衡現(xiàn)象，分別選取機尾電動機先于機頭電動機啟動1 s、2 s和3 s 3種情況研究刮板輸送機的運行特征，見圖3.

圖3 不同啟動間隔下雙機電流曲線圖

由圖3可知，刮板輸送機雙機驅(qū)動功率平衡受雙機啟動間隔的影響。當(dāng)機尾電動機先于機頭電動機啟動1 s時，穩(wěn)定后的機頭電動機輸出電流約為131 A，機尾電動機輸出電流約為115 A，其功率不平衡度約為15.5%；機尾電動機先于機頭電動機啟動2 s時，穩(wěn)定后的機頭電動機輸出電流約為125 A，機尾電動機輸出電流約為122 A，其功率不平衡度約為2.46%；而機尾電動機先于機頭電動機啟動3 s時，穩(wěn)定后的機頭電動機輸出電流約為128 A，機尾電動機輸出電流約為122 A，其功率不平衡度約為4.77%. 由此可以看出，在一定范圍內(nèi)，刮板輸送機雙機驅(qū)動功率的不平衡度隨著雙機啟動間隔的增大而減小。

3 模糊PID控制技術(shù)

3.1 模糊控制原理

模糊控制作為一種全新的控制方法，是現(xiàn)場工作人員利用實際操作經(jīng)驗總結(jié)出來的一種非線性的全局準(zhǔn)確控制模式，該方法主要是針對復(fù)雜的、具有非線性變化特征的對象進(jìn)行準(zhǔn)確控制。在模糊控制過程中，通過控制3種輸入量，主要是數(shù)據(jù)誤差、誤差變化率及變化率的變化程度，將3者輸入模糊控制器中，利用自身的控制方法給出控制量的改變量，進(jìn)行相關(guān)計算及結(jié)果控制。

3.2 模糊PID控制器的設(shè)計

模糊PID控制技術(shù)通常是在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上依據(jù)模糊控制原理進(jìn)行結(jié)果預(yù)留及相關(guān)處理。該控制技術(shù)核心是通過將模糊規(guī)則、初始PID參數(shù)等相關(guān)信息存儲在計算器中，并提前設(shè)置與各種參數(shù)相關(guān)的運算法則，模糊PID控制原理示意圖見圖4. 當(dāng)模糊控制器接收到命令時，依據(jù)提前設(shè)置的模糊規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)程序的運算，可以得到最佳的動態(tài)結(jié)果。此外，在命令的傳輸或接收發(fā)生錯誤時，模糊控制器根據(jù)模糊控制原理及算法進(jìn)行命令修正，使控制過程及結(jié)果更加智能化。

3.3 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析

采用模糊PID控制技術(shù)對刮板輸送機進(jìn)行系統(tǒng)改造，并將改造后的刮板輸送機運行數(shù)據(jù)與改造前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1，2.

表1 不同負(fù)載時雙機電流數(shù)據(jù)表

圖4 模糊控制原理示意圖

表2 不同啟動時間雙機電流數(shù)據(jù)表

由表1、2可知，采用模糊PID控制技術(shù)能夠有效控制刮板輸送機的雙機功率，雙機不平衡度分別由0.82%、19.3%、35%下降至0.41%、4.37%和20.69%，改造效果明顯。此外，改造后的雙機在不同啟動時間間隔內(nèi)不平衡度同樣有所降低。

4 結(jié) 論

由于雙機驅(qū)動時刮板輸送機易出現(xiàn)驅(qū)動功率不平衡現(xiàn)象，研究了刮板輸送機負(fù)載特性，同時利用MATLAB/Simulink軟件建立刮板輸送機仿真模型，分析可知，刮板輸送機雙機驅(qū)動功率的不平衡度隨負(fù)載的增大而增大，隨雙機啟動間隔的增大而減小，提出一種模糊PID控制技術(shù)。由現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，該技術(shù)降低了雙機不平衡度，有效改善了雙機驅(qū)動的刮板輸送機運行現(xiàn)狀。