刮板输送机电动机功率平衡控制策略及仿真分析_王旭峰.pdf

刮板输送机电动机功率平衡控制策略及仿真分析王旭峰（阳泉煤业集团七元煤业有限责任公司，山西寿阳045000）摘要：针对电动机受到铺设长度、负载以及刮板输送机结构性能参数的变化等因素的干扰，出现功率不平衡的现象，造成设备损坏，甚至停机的问题，基于现有的理论分析，根据仿真模拟手段，具体分析了刮板输送机电动机平衡功率的干扰因素，通过功率分配方案的提出，研制出了一套实现电动机功率平衡的控制系统。并采用仿真分析，验证了该控制系统的可靠性与可行性。关键词：刮板输送机电动机功率平衡控制系统仿真分析中图分类号：TD528.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0060-03引言当煤矿井下综采工作面不断推进时，工作面的长度也随之变长，采出量也逐渐上升，这就迫使刮板输送机必须加大电动机功率，延长铺设长度。但是，受到铺设长度、电动机负载以及刮板输送机结构性能参数的变化等因素的干扰，电动机可能出现一些功率不平衡的现象，从而致使驱动单元块体的两头，一头过载、另一头欠载，情况恶劣时还会损坏设备，造成停机现象。所以，基于不同条件去分析电动机功率平衡控制方法十分有价值。1电动机功率平衡的研究现状当今社会发展迅速，对刮板输送机的功率要求也越来越大，因此对刮板机电动机功率控制技术的研究也慢慢变得热门起来。国外的一些专家以及学者对该方面的研究起步较早，其中主要针对刮板输送机中的驱动系统的负载在工作时能否均匀分配，提出了刮板输送机驱动系统达到功率平衡的观点。相比于国外，国内学者对该领域的研究较晚，而且主要把精力放在了大型带式输送机的研究。山东科技大学的学者通过探讨干扰带式输送机的驱动功率因素，通过一些措施来控制功率平衡。来自太原理工大学的学者通过分析刮板输送机功率分配的影响因子，解决了输送机在重载启动时功率分配不平衡的问题1。然而以上的研究缺乏平稳运行时的工况，不足以解决电动机控制的一般问题。因此本文主要通过分析输送机的负载以及参数的改变，来研究平稳工况下刮板输送机的功率平衡控制问题。2刮板输送机电动机功率平衡的控制策略2.1功率平衡控制的基本思路依据负载的改变，来对电机的输出转速进行调整，从而使得刮板机的机头与机尾输出的转矩差控制在一定范围内，杜绝电动机的过载、空载现象的出现，这是刮板输送机功率平衡控制的原则2。本文主要针对三电机驱动展开研究，在机头放置两台电机，机尾放置一台电机。井下的采煤机正常工作时，刮板机的最大负载需要控制在最大功率的 7580，超过了这个范围就会出现过载现象。功率平衡控制的基本思路主要是依据控制原则以及分析刮板输送机的工作原理来制定的。将机头部的两台电机看作是一个大的电机，流经机头的电流设为 I1和流经机尾的电流设为 I2，当电流比为 1 时，就说明三电机都处于正常工作状态，每个电动机的功率都能达到平衡；如果电流比不等于 1 时，就说明三电机的工作状态出现异常，这时就需要比较两电流的差值，如果两电流的差值为正值且大于一定范围，这就表示刮板输送机的机头输出功率很大，机头超载、机尾欠载，这时就必须使机尾电动机的转速增加，以便实现机头和机尾输出功率均衡的目的；如果电流差值小于 0，就说明机尾负载，这时就需要提高机头部电机的转速。具体控制思路如图 1 所示。2.2功率配比方案当刮板输送机能够实现平稳运行时，拟定采煤机的牵引速度保持不变，同时采下的落煤能够稳定地掉落在刮板输送机中部的凹槽上，就可得到刮板输送机正常工作时的负载理论值。假如把刮板输送机的链轮或者链条结构参数的改变也加入考虑因素范畴内，则收稿日期：2022-02-11作者简介：王旭峰（1983），男，山西阳泉人，本科，毕业于太原理工大学机械设计制造及其自动化专业，机械助理工程师，从事安全管理工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.023图 1功率平衡控制思路机尾电动机机头电动机I1I2nnII0电流识别电流识别I=0I0|I|I|StopPIDPID试验研究2023 年第 2 期问题研究会显得更为复杂。所以为实现刮板输送机的功率均衡分配的目的，主要在总输出功率恒定的前提下，利用负载转矩来调整驱动电机的工作速度，进而避免机头部或机尾部的电机出现过载或者欠载的现象。2.3功率平衡控制系统的组成此次试验的电机功率平衡控制器，主要的系统构成包括三向非同步电机、矿用变频器调速器（具备转矩控制性能）、传递通信信号的干线以及控制器（PLC），它们的主要用途为将电机作为本系统的主要监控对象，而矿用变频器则主要用作该系统的硬件监控设备，干线则用来传输通信数据，PLC 控制器则主要与变频器交流数据，系统组成如图 2 所示。3电动机功率平衡控制系统的仿真分析3.1控制系统的仿真模型基于控制系统的工作原理，将主要元件仿真模型组合在一起，就得到了控制系统的模型。这个控制系统主要由两大方面组成，即主电路以及控制电路。其中主电路包含了系统的所有硬件结构，比如电源、电动机等；控制电路则囊括了系统所有的软件结构，比如电压电流转换器、空气开关等，这部分是整个控制系统最为重要的部分，这块部分的功能是否可靠，将直接关乎到电动机的整体性能参数。本文还主要针对控制系统的硬件部分，给出了具体的参数，如表 1 所示。3.2控制系统的仿真分析本次控制系统仿真分析的目的就是检测该系统是否运行可靠，同时还可以在刮板输送机功率分配方案的基础上，去研究这种控制系统对刮板输送机的电动机功率平衡能否有良好效果。此系统把机头的电机和机尾的电机都当作监控对象。同时，为了达到电机的功率均衡，根据机头和机尾的电动机电流之比来确定转矩比的高低，进而通过转矩比来控制电动机的转速大小。本文研究该问题的初衷是针对刮板输送机在稳定运行下展开的，因此综合考虑三个电机的安放位置，将机头的驱动功率与机尾的驱动功率的比值设置为 21。主要的工作就是验证在功率不平衡的条件下，功率比还能否维持在 21 的状态不变。据现场反馈，当采煤机靠近刮板输送机的机头部时，往往机尾部的电机出现功率不平衡的现象较为明显，因此本次仿真实验主要针对上述工况进行分析3。将机头处与机尾处的电流设置成 180 A 与 160 A，因为机头部存在两个电动机，所以机头部的电流就设置成 360 A。所以依据本文思路，通过机头与机尾的电流比来确定驱动链轮的转矩比，即比值大小为 94，因此需要适当减少机头部的转矩大小，这就要适当提高机尾部的电机转速，将两电机的具体转速大小等所有参数带入到仿真模型中，就可以生成具体的仿真曲线。在调速前需要将机头的等效电机与机尾的电机的转速大小确定下来，最后依照转矩比值大小算出调速的大小，如图 3 所示，为两处电机的转速曲线图。从图 3 中可以看出，机头电动机的转速小于正常工作时的转速，而机尾电动机的转速则比机头处等效电机要大。究其原因，是由于负载主要集中在机头处，使得该处转速下降。图 4 所示为转矩比计算后得到的控制信号示意图，为此需要适当增加机尾处的转速，从而平衡机头部的转矩，以解决机头处的过载问题。将计算生成的控制转速的信号输入到变频器之中，然后让变频器对转速进行调整，使得电动机的转速与输入信号的转速无限接近，等待趋于稳定后，得到如下页图 5 所示的电流图，观察图 5 可知，电流大小在调节后有所变大。图 2功率平衡控制系统示意图参量数值参量数值额定转速，nN/（r min-1）1 484额定功率，PN/kW700极对数2额定电压，UN/V3 300转子电阻，Rr/0.435定子电阻，Rs/0.816转子电感，Lr/H0.15定子电感，Ls/H0.10额定频率，f/Hz50主电感，Lm/H0.25表 1仿真参数图 3机头机尾电动机转速曲线图 4负载转矩示意图CAN总线CAN总线CAN总线变频器变频器控制器1 4801 4701 4601 4501 440012345678时间/s转速/（r min-1）机头等效电动机机尾电动机13.012.011.010.09.0105012345678时间/s转矩/（N m）王旭峰：刮板输送机电动机功率平衡控制策略及仿真分析61机械管理开发第 38 卷最终，等待转速趋于稳定后，将其输入到动力模型中，对各个张力点的情况进行探讨，得到了如图 6所示的张力图，观察图 6 可知，最大张力有所下降，但是处在中间处的张力大小会有微微的上升，综合以上实验结论可以得知，通过机尾部电机的调速，电机的功率能够实现平衡。4结语基于现有的理论分析，根据仿真模拟手段，具体分析了刮板输送机电动机平衡功率的干扰因素，通过功率分配方案的提出，研制出了一套实现电动机功率平衡的控制系统。在本文最后采用仿真分析，验证了该控制系统的可靠性与可行性。参考文献1孟国营，程晓涵.我国矿用刮板输送机技术现状及发展分析J.煤炭工程，2014（4）：91-93.2张东升，毛君，刘占胜.刮板输送机启动及制动动力学特性仿真与实验研究J.煤炭学报，2016（9）：241-249.3何柏岩，孙阳辉，聂锐，等.矿用刮板输送机圆环链传动系统动力学行为研究J.机械工程学报，2012（6）：54-60.（编辑：贾娟）图 5机尾电动机电流图 6特殊点张力Scraper Motor Power Balance Control Strategy and Simulation AnalysisWang Xufeng（Yangquan Coal Group Qiyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Shouyang Shanxi 045000）Abstract:In response to the disturbance of motor by factors such as lay length,motor load and changes in structural performanceparameters of scraper,power imbalance occurs,resulting in damage to equipment and even shutdown.Based on the existing theoreticalanalysis and according to the simulation means,the disturbance factors of the scraper conveyor motor balance power are specificallyanalyzed,and a control system to realize the motor power balance is developed through the proposal of power allocation scheme.Usingsimulation analysis,the reliability and feasibility of this control system are verified.Key words:scraper conveyor;electric motor；power balancing;control system;stimulation analysis8004002000-200-400-600012345678时间/s电流/AC相Park s d 轴10620.015.010.05.00.0222324252627282930时间/s张力/N机头啮合点机头分离点机尾啮合点机尾分离点现螺旋叶片尾部卡煤的情况，从而加剧尾部的磨损效果。4结语采煤机滚筒螺旋叶片作为采煤机截割煤壁时最重要的工作组件，其磨损性能的优劣直接决定了采煤机在综采工作面的工作效率以及采煤机设备的使用寿命。针对采煤机滚筒螺旋叶片的磨损问题进行仿真试验模拟，对螺旋叶片的磨损原因进行分析，发现螺旋叶片的尾部最容易出现应力集中现象，出现的原因主要是因为螺旋叶片在装