煤矿井下带式输送机多电动机驱动功率平衡

桑宏琪

(西山煤电有限公司 官地煤矿，山西 太原 030022)

0 引言

在煤矿井下，目前长距离、大功率的带式输送机大多由多个电动机驱动，据国内外资料介绍,单机运距已达30.4 km,多机串联运距最长达208 m,但在实际运行过程中，其多电动机驱动技术尚不能完全实现功率的平均分配，主要是输送带的张力，在某一台电动机出现问题，比如发生死机，则造成电动机偶合规律的变化，即负载分担不均匀[1-2]。本文针对该问题,分析研究了带式输送机多电动机驱动的功率平衡问题，提出实现带式输送机多电动机驱动功率平衡的控制方案。依据模糊控制原理,选取了模糊控制的输入量、输出量,并对输入量进行模糊化，最后给出了采用实现带式输送机功率平衡控制的算法框图。

1 带式输送机启动特性分析及性能指标

1.1 启动特性分析

考虑到输送带本身的特性和电动机的工作性质，其长距离、大功率的带式输送机启动时间较长，启动过程中输送带由静止变为匀速运行，中间会产生一定的加速度，加速度太大时，输送带上的受力便越大，容易造成输送带的断裂或者磨损，甚至造成输送带的打滑而不能正常启动，这样，需要通过对电动机电流和输送带张力的控制，使输送带速度限在额定的时间内达到额定的速度，最终实现带式输送机的平稳启动。这种启动方法又被称为“软启动”。

1.2 启动性能指标

针对煤矿井下的特殊环境，带式输送机的启动过程必须满足以下的性能指标：

1)输送机可以按照启动速度曲线平稳启动,并能实现满载启动。

2)输送带启动加速度值≤0.3 m/s2,输送带启动张力在合理范围内。

3)输送带的多台电动机具有功率平衡的能力。

4)当多台电动机驱动时,电动机可以顺序启动。

5)具有过载保护功能。

6)启动电流尽可能小，减小对外部电网产生电流冲击。

7)当输送带供电系统出现短时间的断电时，电动机保持惯性，继续工作[3]。

2 功率平衡控制系统设计

2.1 功率平衡系统控制方法

在输送带的软启动过程中，电动机按照事先设定的输出功率，其电动机功率基本保持平衡，在不出现电动机停机的情况下，输送带上各台电动机的负载基本一致，不需要考虑功率平衡，但当某一台电动机意外停机，则应该停止启动。本文设计的功率平衡控制系统，主要就是针对输送带运行过程中，输送带系统进入工况，投入输送带功率平衡控制。通过采集电动机的电流和输送带的速度，对电动机相应的调速型液力偶合器的位置进行控制，调节电动机的输出功率，达到了功率平衡的目的。

2.2 功率平衡系统结构

功率平衡系统结构图如图1所示。该系统采用PLC控制，电流互感器采集交流电动机的电流，将电流值反馈给PLC，作为对电动机功率的判断依据，速度传感器采集带式输送机的速度，PLC再将采集的电流和速度数据添加到实现编写的算法中，通过步进电动机实现对勺杆的控制，实现对带式输送机系统的减速控制。

图1 功率平衡系统结构

2.3 功率平衡控制策略

带式输送机功率平衡的控制参考量是电动机电流和转速，通过调节连接勺杆的位置，实现其功率的平衡控制。在电动机启动之前，勺杆的位置进行一次清零，输送带进入正常工作模式以后，需要实时监测输送带的速度、加速度、电流，根据采集现场数据和设定值的比较，调节勺杆位置和开度。控制流程如图2所示。

图2 控制流程

2.4 液晶显示设计

为了增加系统的人机交互性，在系统中加入液晶显示屏，其作用是把采集的电动机温度、输送带的压力和速度直观地显示出来，以方便工作人员的巡查。同时，其系统出现故障时,显示屏上还可以显示故障部位或器件，减少排除故障的时间。

液晶屏选型为12864显示屏，可以进行全中文的实时显示，最多可以显示8×4行16×16点阵的汉字，增加带式输送机功率平衡控制系统参数的可读性，巡视人员只要根据显示屏的提示信息进行相关操作，可对电气设备运行维护或现场控制。液晶显示屏的硬件电路原理图如图3所示。

图3 12864液晶显示屏硬件电路

3 模糊控制方法

3.1 模糊控制原理

在煤矿带式输送机的工作过程中，经常会出现各种负载变动，该变动存在着非常大的不确定性。对于有些瞬时变动，功率平衡系统并不能做出准确预测，反而增加了功率平衡控制的难度。因此，需要引入模糊控制的方法，即在控制过程中，根据输出与设定值的偏差及变化的速度，建立与控制量的模糊关系,使其控制系统更加人性化。主要是功率平衡控制传感器检测的速度或电流信号送入微机装置，在微机程序中加入模糊控制程序。电动机的功率计算公式为：

(1)

式中：U为额定电压；I为额定电流；η为效率； cosφ为功率因数。运行中，U、η、φ为定值，电流的大小可以表征功率的大小。

3.2 模糊控制器结构

模糊控制器是模糊控制系统的重要组成部分，在模糊系统中，主要是通过计算机的硬件和软件结合工作实现控制算法的。模糊控制器主要由输入定标、输出定标、模糊化、模糊决策和模糊判决(解模糊)等部分组成[4-6]。模糊化的过程使控制器所测得的参考量与左侧信号一致，这一步不损失任何信息。模糊决策过程由一推理机来实现：该推理机检查每条规则的匹配程度,通过聚集各个规则的加权输出，产生一个输出的概率分布情况，模糊判决把这一概率分布归纳于一点,经过一次量纲的定标，控制驱动器的驱动过程。

模糊控制器的结构如图4所示，该控制器的组成部分主要包括：知识库、模糊化接口、推理机和模糊判决的接口。知识库包括数据库和规则库2个部分，数据库包含尺度变化因子、变量隶属度函数、模糊空间分级等参数；规则库是根据控制专家的规则和经验建立起来的模糊推理规则集合，包含一系列控制钻夹的控制策略。模糊化接口将设定输入信息和传感器的电流参数、输送带速度参数进行模糊化。模糊控制系统的核心是推理机，可以实现模糊控制算法，根据模糊控制规则和模糊输入量的值,推理求解模糊关系方程。模糊判决接口将模糊量转变成现实中可以利用的控制量。

图4 模糊控制器系统

4 结论

本文针对煤矿井下输送带多台电动机驱动的功率不平衡问题，对多电动机功率平衡系统进行了研究。考虑带式输送机和电动机的工作特性，在输送带启动过程中采用软启动的方法，当带式输送机进入工况运行后，投入输送带功率平衡控制。通过采集电动机的电流和输送带的速度，对电动机相应的调速型液力偶合器勺杆位置进行控制，调节其电动机的输出功率，达到功率平衡的目的。同时，设计液晶显示电路，增加系统交互性。设计功率平衡系统的控制方法采用模糊控制，以输送带的速度和电动机的电流为控制量，经过模糊控制器的处理，输出控制信号，实现功率平衡控制。