吳佳佳

（霍州煤電集團(tuán)豐裕煤業(yè)公司安裝分公司，山西 霍州031400）

引言

刮板輸送機(jī)作為采煤工作面重要的煤礦物料運(yùn)輸裝備，當(dāng)其輸送能力達(dá)到一定程度時(shí)，單個(gè)電機(jī)已經(jīng)無法滿足實(shí)際使用要求，此時(shí)需要同時(shí)使用多部電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動[1-4]。采煤工作面環(huán)境相對繁雜，且刮板輸送機(jī)的煤礦物料輸送重量并非時(shí)刻保持不變，而是帶有一定的隨機(jī)性[5]。這種工況條件下，容易導(dǎo)致不同驅(qū)動電機(jī)之間出現(xiàn)功率不平衡的問題，對電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害[6]?；诖?，應(yīng)采取有效措施確保刮板輸送機(jī)不同驅(qū)動電機(jī)之間的功率平衡，維持刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性。

1 礦用刮板輸送機(jī)基本情況概述

本文研究的礦用刮板輸送機(jī)具體型號為L1000EP，該型號刮板輸送機(jī)由JOY公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造。刮板輸送機(jī)與采煤工作面平行布置，輸送機(jī)的整體長度為258 m，槽內(nèi)寬度為1.13 m，擋煤板高度和鏈條中心距分別為1.25 m和0.28 m。輸送機(jī)鏈條運(yùn)行速度以及整體輸送能力分別為1.41 m/s和3 500 t/h。采用的是中雙鏈形式，鏈輪半徑為0.165 m，齒數(shù)為7。刮板輸送機(jī)同時(shí)采用三部電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，每部電機(jī)的功率為700 kW。其中機(jī)尾設(shè)置一部電機(jī)，電機(jī)與煤壁平行布置；機(jī)頭設(shè)置兩部電機(jī)，其中一部電機(jī)與煤壁平行布置，另外一部電機(jī)與煤壁垂直布置。由于采用的是多部電機(jī)同時(shí)驅(qū)動，所以需要考慮不同驅(qū)動電機(jī)之間的功率平衡問題。

2 多電機(jī)功率平衡控制基本原理

2.1 功率平衡控制基本原則

刮板輸送機(jī)在工作過程中，其輸送的煤礦物料重量隨時(shí)發(fā)生變化。對刮板輸送機(jī)多電機(jī)進(jìn)行功率平衡控制的基本原則，就是根據(jù)輸送煤礦物料的重量對不同電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理控制，確保位于不同位置的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)距之間的差值在可接受的范圍內(nèi)，防止機(jī)頭和機(jī)尾部位驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)距不匹配，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)欠載或者過載的問題，對電機(jī)造成不可挽回的損害。刮板輸送機(jī)由三部具有相同功率的電機(jī)同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動。正常工作條件下，電機(jī)輸出功率保持在最大輸出功率的80%左右，如果不同電機(jī)之間的功率控制不恰當(dāng)容易導(dǎo)致部分電機(jī)出現(xiàn)過載的問題。

2.2 功率平衡控制基本思路

基于上述的刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制基本原則，并結(jié)合輸送機(jī)的基本工作原理，功率平衡控制基本思路可以概述如下：由于使用的三部電機(jī)型號完全相同，因此認(rèn)為不同電機(jī)的機(jī)械特征完全相同。將機(jī)頭部位的兩部電機(jī)等效為一部電機(jī)，其容量為結(jié)尾部位電機(jī)的兩倍。假設(shè)經(jīng)過機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的電流值分別為i1和i2，可以根據(jù)電流值判斷外部負(fù)載情況。當(dāng)i1和i2完全相同時(shí)，表明機(jī)頭和機(jī)尾電機(jī)負(fù)載情況正常，不存在過載問題，此時(shí)電機(jī)功率保持平衡。當(dāng)i1和i2不相等時(shí)，表明機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的功率存在不平衡問題，需要對兩個(gè)電流值進(jìn)行進(jìn)一步判斷。如果i1與i2的差值Δi始終大于0，且Δi超過了i2的5%，認(rèn)為此時(shí)機(jī)頭部位電機(jī)存在過載問題，需要提升機(jī)尾部位電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，確保機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)保持功率平衡。相反的，如果Δi始終小于0，則認(rèn)為此時(shí)機(jī)尾部分電機(jī)存在過載問題，需要提升機(jī)頭部位電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，使不同部位電機(jī)功率保持平衡。如下頁圖1所示為刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制基本原理圖。

3 多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的研究

3.1 功率平衡控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

如下頁圖2所示為刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)由三部三相異步電動機(jī)及其對應(yīng)的變頻器、控制器和CAN總線構(gòu)成。控制器通過對變頻器的輸出頻率進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對三相異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。系統(tǒng)中不同硬件之間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸。結(jié)合煤礦實(shí)際情況，采用的礦用變頻器型號為BPJ 1-630/1140，控制器采用的是可編程邏輯控制器PLC，具體型號為S7-1200。

圖1 功率平衡控制原理框圖

圖2 功率平衡控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

機(jī)尾一部電機(jī)采用單獨(dú)的變頻器，機(jī)頭兩部電機(jī)使用同一變頻器，目的在于確保機(jī)頭部位兩部電機(jī)具有相同的輸出轉(zhuǎn)速。CAN總線具有良好的通信穩(wěn)定性，比較適合本研究中輸送距離較長的場景。變頻器可以對電機(jī)運(yùn)行過程中的定子電流進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果通過CAN總線傳輸至PLC控制器中進(jìn)行分析。控制器根據(jù)分析結(jié)果輸出控制信號，對變頻器的輸出電壓頻率進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制。

3.2 功率平衡控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖3所示為刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)方案框圖。圖中i1和i2分別表示機(jī)頭和機(jī)尾部分電機(jī)的電流值，通過比較兩個(gè)電流值的大小可以判斷機(jī)頭機(jī)尾部位電機(jī)是否存在功率不平衡現(xiàn)象。如果機(jī)頭部位電機(jī)電流i1大于機(jī)尾部位電機(jī)電流i2，表明機(jī)頭部位電機(jī)存在過載現(xiàn)象。電機(jī)電流值與其負(fù)載大小存在正比例關(guān)系，可以根據(jù)電流值推算得到電機(jī)的負(fù)載大小，進(jìn)而判斷不平衡程度?？刂破鞲鶕?jù)不平衡程度計(jì)算得到機(jī)頭部位電機(jī)需要提升的電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，并輸出控制信號，提升對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得無載側(cè)鏈條的張力提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的功率平衡。如果機(jī)頭部位電機(jī)電流i1小于機(jī)位部位電極電流i2時(shí)，其控制過程與上述完全相同，不再贅述。

圖3 功率平衡控制系統(tǒng)方案框圖

4 多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)測試分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真測試分析。刮板輸送機(jī)的三部電機(jī)是系統(tǒng)的控制對象，首先需要對電機(jī)的電流值進(jìn)行檢測，并且根據(jù)機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)電流值的比值大小判斷電機(jī)是否存在功率不平衡的問題。其次對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使不同部位的電機(jī)功率保持平衡。本文所述刮板輸送機(jī)機(jī)頭部位有兩部電機(jī)，機(jī)尾部位只有一部電機(jī)，所以機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)功率的分配比為2∶1。以下主要測試當(dāng)電機(jī)功率不平衡時(shí)，查看功率平衡控制系統(tǒng)能否進(jìn)行自動控制，將機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的功率調(diào)整至2∶1。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)動至刮板輸送機(jī)的機(jī)頭部位時(shí)，輸送機(jī)會出現(xiàn)顯著的電機(jī)功率不平衡問題，因此本文主要對該工況進(jìn)行測試分析。經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)該工況條件下，機(jī)頭部位電機(jī)電流為180 A，機(jī)尾部位電機(jī)電流為160 A。將機(jī)頭部位的兩部電機(jī)等效為一部電機(jī)，則認(rèn)為機(jī)頭部位電機(jī)的電流值為360 A?；谝延械睦碚撝R可知，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電流值之間存在正比例關(guān)系，由此可知機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比值為9∶4?？梢钥闯鰴C(jī)頭部位電機(jī)存在過載問題，需要提升機(jī)尾部位電機(jī)的轉(zhuǎn)速以降低機(jī)頭的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

在對電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整前，首先需要計(jì)算得到機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的等效轉(zhuǎn)速，經(jīng)計(jì)算機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的等效轉(zhuǎn)速分別為1 471 r/min和1 446 r/min。由于機(jī)頭部位負(fù)載相對較大，導(dǎo)致電機(jī)等效轉(zhuǎn)速相對較高。將上述參數(shù)輸入到模擬仿真系統(tǒng)中，可以得到轉(zhuǎn)速的控制信號，結(jié)果如下頁圖4所示。從圖中可以看出，機(jī)尾部位電機(jī)的電流值出現(xiàn)了一定程度的增加，說明其承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也增大，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)頭和機(jī)尾部位電機(jī)的功率平衡?；谝陨戏治隹梢钥闯觯疚脑O(shè)計(jì)的多電機(jī)功率平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同部位電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)功率平衡，整體上達(dá)到了理想的效果。

圖4 機(jī)尾部位電機(jī)電流值演變情況