解 喃

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046600）

引言

刮板輸送機(jī)作為我國煤礦一種重要運(yùn)輸設(shè)備，其高效運(yùn)行可以降本增效[1-2]。傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)重載啟動(dòng)時(shí)常常會(huì)遇到強(qiáng)大的電網(wǎng)沖擊，使得啟動(dòng)困難，同時(shí)多機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，極易出現(xiàn)功率不匹配的現(xiàn)象。所以對(duì)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究是刮板輸送機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要課題之一[3]。本文以凌志達(dá)煤業(yè)刮板輸送機(jī)為研究背景，采用變頻器對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為解決多機(jī)驅(qū)動(dòng)不平衡、啟動(dòng)難的問題提供一定的參考。

1 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)是由鏈條、鏈板、驅(qū)動(dòng)裝置及溜槽等組合而成的，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)作用下，將鏈板上的物料運(yùn)輸至刮板輸送機(jī)機(jī)頭位置進(jìn)行裝卸，從而實(shí)現(xiàn)物料的運(yùn)輸。刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中一般包括減速器、耦合器及電動(dòng)機(jī)。隨著智能化的不斷發(fā)展，目前變頻電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的發(fā)展。變頻電動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力部件，設(shè)置合理的變頻控制策略可使其高效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)使得刮板輸送機(jī)高效運(yùn)行。

對(duì)變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械模型建立，電動(dòng)機(jī)機(jī)械模型一般分為兩種，一種為電磁特性電動(dòng)機(jī)，其模型較為復(fù)雜，求解時(shí)間較長；另一種為機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)。本文選定機(jī)械特性曲線建立模型，通過對(duì)電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行觀察，給出電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以由公式（1）表示：

式中：f為電機(jī)電源頻率，Hz；p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；n0為同步電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

從公式（1）可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的輸出頻率有著直接的關(guān)系，呈現(xiàn)正比例形式，即隨著頻率的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在增加。當(dāng)采用變頻電動(dòng)機(jī)時(shí)，此時(shí)變頻器可進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)電機(jī)功率，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速得以控制，實(shí)現(xiàn)變頻控制。

在刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于其載荷較大，所以啟動(dòng)需要較大的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)分析，選定恒轉(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行調(diào)速，維持轉(zhuǎn)矩的恒定。圖1所示為不同頻率電機(jī)的特性曲線。

圖1 不同頻率電機(jī)的機(jī)械特性

如圖1所示，f1和f2為不同的電源頻率，sm為臨界轉(zhuǎn)差率，Tst為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TMm為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速，n0為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。由圖1可以看出，變頻電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線類似于異步電機(jī)的特性曲線，改變頻率就可以得到相應(yīng)的曲線，將改變頻率得出的所有曲線進(jìn)行組合就是變頻電機(jī)的特性曲線。

在完成變頻電機(jī)的仿真模型后選用YBSS-1000三相異步電機(jī)，電機(jī)的變頻功率范圍為0～50 Hz，電機(jī)的啟動(dòng)方式為直線啟動(dòng)，電機(jī)額定功率為1 000 kW，額定電壓及額定電流分別為3 300 V和203 A，額定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為6 405 N·m和1 491 r/min。

建立刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)電學(xué)模型，將變頻調(diào)速作為目前啟動(dòng)技術(shù)的熱門，其主要分為一體式變頻器和分體式變頻器兩類，考慮到一體式變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本較高的特點(diǎn)，本文選定分體式變頻器。首先進(jìn)行變頻器控制方式選擇，考慮到刮板輸送機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、對(duì)轉(zhuǎn)矩要求較高的特點(diǎn)，本文選定直接轉(zhuǎn)矩控制的方法，直接轉(zhuǎn)矩控制是基于定子磁場的一種控制方式，通過控制轉(zhuǎn)矩與磁鏈的誤差，從而得出調(diào)節(jié)信號(hào)，反向作用于變頻器，因此達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的效果?？紤]到傳統(tǒng)的直接控制轉(zhuǎn)矩方法會(huì)導(dǎo)致電磁脈沖過大且逆變器不穩(wěn)定，所以提出基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

圖2中，usα和usβ均為極坐標(biāo)下兩點(diǎn)間的電壓，usT和usM分別為直角坐標(biāo)下原點(diǎn)到兩點(diǎn)間的電壓，ωr為轉(zhuǎn)速，TM為M點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩，Ψs為磁通量。圖2為優(yōu)化后的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，其同樣是對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈間的誤差進(jìn)行采集，從而通過SVPWM進(jìn)行電壓矢量的合成，從而控制轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速和磁鏈的給定信號(hào)通過PI進(jìn)行無靜差調(diào)節(jié)后，將信號(hào)輸送至電壓的控制模塊，在經(jīng)過電壓控制模塊對(duì)電壓考量后，得到相應(yīng)的定子電壓，將定子電壓信號(hào)再傳回SVPWM模塊，此時(shí)逆變器開關(guān)得到控制且導(dǎo)通，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

為了驗(yàn)證SVPWM系統(tǒng)仿真模型的可靠性，對(duì)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜情況進(jìn)行仿真研究，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間在3 s前時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為線性增加，此時(shí)的啟動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩模式；當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為6～8 s時(shí)，此時(shí)的電流開始穩(wěn)定，同時(shí)優(yōu)化后的變頻啟動(dòng)系統(tǒng)較傳統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)電流有了明顯的降低，對(duì)電網(wǎng)的沖擊減弱，有效地提升了其可靠性。

2 仿真研究

在得到變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性后對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行開發(fā)，利用Visual C++和matlab對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行編程，首先對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，在進(jìn)入選型界面后選定變頻電機(jī)，輸入電機(jī)的機(jī)械模型，同時(shí)根據(jù)不同的裝載特性選擇驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為滿載時(shí)選定多機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，在界面內(nèi)輸入電機(jī)的參數(shù)及信息。

對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)運(yùn)行需求對(duì)刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程及停機(jī)時(shí)間節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行設(shè)定，在滿載時(shí)采用雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)需要設(shè)置雙機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)方式、啟動(dòng)時(shí)差等，用于滿足變頻調(diào)速。

對(duì)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，選定凌志達(dá)煤業(yè)SGZ1000/2000型刮板輸送機(jī)進(jìn)行仿真研究，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，預(yù)緊力的選定應(yīng)當(dāng)保證機(jī)頭機(jī)尾功率平衡且張力不小于0，同時(shí)在進(jìn)行機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率設(shè)定時(shí)同樣應(yīng)當(dāng)滿足功率平衡原則。空載及滿載機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩仿真見圖3。

從圖3可以看出，優(yōu)化后機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大致重合，由此說明優(yōu)化后機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡，同時(shí)在很短的時(shí)間內(nèi)機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)均達(dá)到理想轉(zhuǎn)矩。在空載情況時(shí)，僅需很短的時(shí)間機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)就達(dá)到理想轉(zhuǎn)矩，而在滿載情況下，由于負(fù)載較重，此時(shí)機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間明顯較長，但達(dá)到平穩(wěn)后，機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡，有效解決了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率不平衡問題。

圖3 空載及滿載機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

3 結(jié)語

本文介紹了刮板輸送機(jī)變頻器的調(diào)速原理，并利用matlab軟件給出了變頻電動(dòng)機(jī)機(jī)械模型，同時(shí)提出基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，給出了變頻電動(dòng)機(jī)電學(xué)模型。利用Visual C++和matlab對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用仿真模擬對(duì)優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)空載及滿載機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有效地解決了機(jī)頭機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率不平衡及啟動(dòng)電流較大的問題。