刮板输送机多电机驱动功率平衡控制系统的研究

王新成

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司， 山西 长治 047100）

引言

作为煤矿井下“三机”之一，刮板输送机不仅是用于输送煤炭的设备而且是采煤机在井下进行进给作业的轨道，因此刮板输送机在工作时的稳定性和可靠性就直接决定了煤矿井下的综采作业效率和作业安全。为了适应越来越高的煤炭综采作业效率，刮板输送机已经开始广泛采用首尾多电机驱动系统，但在实际应用中发现，刮板输送机在工作时其双电机的输出功率很难维持平衡，导致多个电机长期处于不均衡的工作状态，不仅严重影响了驱动电机的使用寿命，而且导致刮板输送机在工作过程中的输送不稳定，给煤矿井下的安全生产造成了极大的隐患，因此迫切需要对刮板输送机多电机的功率平衡控制进行研究，确保工作过程中多电机输出功率的平衡性，提高电机使用寿命和工作时的稳定性。

1 多电机功率平衡控制原理

刮板输送机的多电机功率平衡控制是实现刮板输送机稳定运行的前提，刮板输送机驱动电机工作时的输出功率和工作电流有密切的关系，实现各驱动电机的功率平衡实际上等于实现刮板输送工作时各驱动电机的工作电流的平衡。因此其平衡控制的基本原则就是根据各电机工作时的负载的变化来对其输入电流进行调整，使各驱动电机的输出转矩和功率保持在一定的范围内，从而有效的避免各驱动电机在工作时出现过载或者欠载的现象，其功率平衡控制系统的结构如图1 所示[1]。

本文以某型刮板输送机为例，其采用了头部双电机驱动、尾部单电机驱动的控制方式，由图1 可知，在该控制系统中包括了变频器、CAN 通信总线等，利用变频器对各电机定子电流进行监测并将其传输到PLC 控制中心，然后经过处理后输出一个给定控制转速，利用具有直接转矩控制能力的变频器根据给定的转速来对各控制电机的电磁转矩进行控制，从而实现对各驱动电机输出功率的平衡控制，其平衡控制流程如图2 所示[2]。

图1 刮板输送机功率平衡控制系统结构示意图

图2 根据负载变化的功率平衡控制流程

2 功率平衡控制系统

根据刮板输送机功率平衡控制原理及井下实际工作需要，本文所设计的刮板输送机多电机驱动功率平衡控制系统的结构如下页图3 所示。在该控制系统中：I1表示输送机机头位置等效电机的定子电流，I2表示输送机机尾位置的等效电机的定子电流，分别用于表示在机头位置和机尾位置负载的变化情况，通过负载转矩比和系统设定值的对比来确定对各电机转速的调节量；K1—K5表示控制系统中的功率调节系数。

在控制系统中，各驱动电机的转矩电流和其负载转矩是呈现正相关的关系，因此根据各电机的工作电流即可求出刮板输送机的头部和尾部的驱动链轮的转矩比，根据预先设定的额定功率配比，当出现功率平衡不匹配时系统自动根据负载转矩比来对刮板输送机头部和尾部的转速进行调整[3]，即：

图3 多电机驱动功率平衡控制系统的结构

式中：δ 为刮板输送机头部等效电机和尾部电机的转速比；n1为刮板输送机头部等效电机的实际转速；n2为刮板输送机尾部电机的实际转速；Sn为刮板输送机头部等效电机和尾部电机的转差率。

假设工作时刮板输送机头部的等效驱动电机和尾部电机的输出功率为额定值，其等效转速一致，则其换算关系可表示为[4]：

式中：N1为刮板输送机头部等效电机的输出功率；N2为刮板输送机尾部电机的输出功率；i1为刮板输送机头部等效电机的转矩电流；i2为刮板输送机尾部电机的转矩电流。

在控制过程中，当出现刮板输送机的头部过载而尾部输出功率不足时，需要调整刮板输送机在尾部处链轮的负载转矩来平衡头部驱动链轮的等效负载转矩，分担量的大小可根据实际负载转矩和额定转矩的偏差量进行确定。当刮板输送机的头部欠载而尾部的驱动电机过载工作时，则需要调节尾部驱动电机的输出功率，在调节的时候需要确保在各电机输出功率平衡的基础上确保头部两个驱动电机工作的协调性。

3 功率平衡控制系统的仿真研究

设定该功率平衡控制系统中刮板输送机头部和尾部的各驱动单元的功率分配比为2∶1，设定工作时电机的额定转速为1 100 r/min，其工作时的负载转矩先为80 N·m，然后再增加至100 N·m，其仿真分析结果如图4 所示。

图4 负载波动时各驱动电机的电流变化情况

由仿真分析结果可知，刮板输送机各驱动电机的电流均在0.9 s 时开始稳定，当其工作负载开始变大后，各电机的电流均在约1.9 s 后开始降低，但各驱动电机处电流的幅值、相位均保持一致，表明该控制系统能够很好的调整在载荷突变情况下的各电机的工作转矩情况，功率平衡控制效果显著。

当负载增加后，各电机的输出功率同样有相应的变化，因此其功率变化统计如图5 所示。

图5 负载波动时机头和机尾的输出功率变化情况

由仿真分析结果可知，在该控制系统的调控下，各电机的输出功率的比例分配保持了和理论设定几乎一致的情况（2∶1），实现了电机端部双电机的等效功率和尾部驱动电机的功率的平衡控制。

4 结论

1）当刮板输送机工作时，各驱动电机处电流的幅值、相位均保持一致，表明该控制系统能够很好的调整在载荷突变情况下的各电机的工作转矩情况，功率平衡控制效果显著。

2）在该控制系统的调控下，各电机的输出功率的比例分配保持了和理论设定几乎一致的情况（2∶1），实现了电机端部双电机的等效功率和尾部驱动电机的功率的平衡控制。