选煤厂刮板输送机功率平衡控制及仿真分析
王建伟
（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200）
刮板输送机广泛应用于煤矿、选煤厂等场合。在煤矿生产中，其与液压支架、采煤机称为综采工作面的“三机”，在选煤厂其为主要运输设备。随着选煤厂生产能力的提升，刮板输送机从单电机驱动逐渐变为多电机驱动。对于多电机驱动的刮板输送机，在实际生产中由于其负荷处于动态变化的情况，易导致其运行电流过大，进而导致设备停机；
除此之外，刮板输送机的各个电机功率不平衡不仅会对设备电机造成损伤，而且会导致刮板链断裂[1]。本文重点对刮板输送机的功率平衡进行控制，并对控制效果进行仿真分析。
刮板输送机电机属于三相异步电动机，在实际生产中由于运输负荷的增加导致电机的耗能增加、电流值增加。同时，由于选煤厂运行环境相对恶劣在实际生产中存在频繁启动的情况，在重载情况下启动极易对刮板输送机电机及相关机械部件造成冲击，从而影响刮板输送机的运输效率。软启动控制为区别于刮板输送机传统的控制方式，其能够对电机及相关机械部件进行保护，而且还具有节约电能的效果。但是，简单的软启动方式无法解决多电机驱动刮板输送机电机功率不平衡的问题[2]。因此，拟通过变频控制实现对刮板输送机的功率平衡控制。
1.1 变频调速原理
对于多电机驱动的刮板输送机而言，在实际生产中由于设备的负载处于动态变化状态以及刮板输送机结构参数发生变化等均会导致刮板输送机电机功率出现不平衡，导致刮板输送机电机功率不平衡的主要因素为负载变化。所谓变频调速指的是，通过变频器对刮板输送机电机的运行频率进行控制，从而实现调速的目的。具体如式（1）所示：
式中：n0为刮板输送机电机的转速；
f1为刮板输送机电机的频率；
p为刮板输送机电机的极对数。
可适用于刮板输送机变频调速控制的方式包括有V/F控制、矢量控制以及直接转矩控制。V/F控制本身的精度不高，无法保证其适用于刮板输送机的控制；
矢量控制方式无法根绝外部信号对电机转矩进行精准控制；
直接转矩控制方式可应用于重载启动设备、负载动态变化的设备，且其控制精度也可控制在2%左右。因此，选用直接转矩控制方式对刮板输送机进行变频调速控制基本是可行的[3]。
1.2 直接转矩控制方式应用于刮板输送机变频调速的可行性验证
本节基于AMESim建立直接转矩控制的刮板输送机变频调速模型，通过仿真验证刮板输送机变频调速控制采用直接转矩控制的可行性和控制效果。所建立的基于直接转矩控制模型如图1所示。
图1 刮板输送机直接转矩控制模型
根据刮板输送机电机的主要技术参数对图1中的对应子项进行设计，分别对刮板输送机电机定子磁链的轨迹和电机转速进行仿真分析，设定仿真结果5 s，所得的仿真结论如下页图2所示。
图2 仿真结果
如下页图2所示，基于直接转矩控制下刮板输送机电机的定子磁链轨迹接近为圆形，说明直接转矩控制方式能够有效对其定子磁链的轨迹进行控制，具有较好的控制效果；
同时，基于直接转矩控制方式电机转速在1 s内平稳上升至其额定转速1 450 r/min。
综上，直接转矩控制方式对刮板输送机进行变频调速控制效果良好，适用性较高[4]。
2.1 刮板输送机电机功率平衡控制系统设计
为提升选煤厂的生产能力，势必需要提升刮板输送机的运量，传统单电机驱动方式无法满足大运量的运输要求。对于多电机驱动刮板输送机而言，由于负载变化频繁且运输距离较长出现功率不平衡问题；
当刮板输送机功率不平衡问题严重时极易导致出现刮板链断裂的事故，最终影响整个运输效果。所谓刮板输送机功率平衡控制指的是基于有效的控制策略将刮板输送机各个电机功率的差值控制在合理范围之内，避免其中某一个或多个电机过载或者欠载的情况出现。
基于直接转矩控制的刮板输送机功率平衡控制系统的关键结构如图3所示。
图3 刮板输送机功率平衡控制系统
如图3所示，刮板输送机功率平衡控制系统主要由PLC控制器、基于直接转矩控制的变频器、CAN总线等组成。鉴于刮板输送机的运输距离较长，为避免长距离运输所导致的干扰问题，本项目采用CAN通信总线实现信息传输。
在实际控制中，功率平衡控制系统通过对机头、机尾处的负荷进行检测从而反映电机的电子电流，若出现差异明显的情况，则根据两电机的负载转矩比和理论范围之内的偏移量分别对机头和机尾的电机频率进行控制，从而实现对电机转速控制的目的，保证两电机的功率差值处于理论范围之内。
2.2 刮板输送机电机功率平衡控制系统仿真验证
本文所研究刮板输送机为双电机驱动的刮板输送机，两电机分别位于机头和机尾两个位置。在设计初期，设定机头和机尾电机的功率分配比为2∶1。本文对刮板输送机实际生产中出现的功率不平衡严重的工况下对功率平衡控制系统的控制效果进行验证。
通过测量可知，刮板输送机功率不平衡工况下对应机头电机的电流值为360 A，机尾电机的电流值为160 A；
说明此时刮板输送机机头和机尾部分的负荷转矩比为9∶4，与设定的2∶1存在一定的差距。此时，刮板输送机机头电机负载转矩的绝对值为20.4 N·m，对应机尾电机负载转矩为9.08 N·m。通过功率平衡控制方式对机尾电机转速进行控制后，得出如图4所示的仿真结论。
图4 机尾负载转矩变化
如图4所示，在1 s时刮板输送机功率平衡控制系统介入对应机尾负载转矩瞬间增大并在3 s后逐渐趋于稳定，并保持在10.3 N·m左右。此时，机头和机尾电机的功率分配比接近2∶1，说明所设计的功率平衡控制系统有效。
刮板输送机是选煤厂的关键运输设备，随着选煤厂生产能力的增加，对应刮板输送机的运量也必须增加，因此传统单电机驱动无法满足实际生产要求。针对双电机驱动的刮板输送机而言，负载变化经常导致双电机的功率不平衡，严重时导致刮板链断裂。为解决此问题，本文基于直接转矩的变频器、PLC控制器和CAN总线完成功率平衡控制系统设计，并经仿真分析得知：所设计功率平衡控制系统能够在电机出现功率不平衡问题工况下实现对双电机的功率平衡控制。
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