煤矿井下综采面刮板运输机变频驱动的研究/翟海波

赵涛

摘 要：针对矿用组合开关控制综采面刮板运输机的缺点，设计了刮板运输机变频驱动的控制方案。详细介绍了变频驱动方案的硬件配置、工作逻辑、DTC直接转矩控制、机头机尾双电机同步控制、运行中的节能控制。实践证明，该套变频驱动控制方案，稳定可靠，操作简单，有可观的经济效益和社会效益，赢得了客户的高度认可，具有广阔的应用前景。

关键词：刮板运输机 变频驱动 DTC 同步控制

中图分类号：TD528.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（c）-0044-02

随着现代电力电子技术和计算机科学的迅速发展，变频驱动技术已趋于成熟。目前综采面刮板运输机普遍采用组合开关高低速切换进行控制，该控制方式在起动的前期，转速和扭矩瞬间增大，引起对刮板运输机结构和链条的巨大冲击，时有断链发生，给现场的生产安全带来严重危害；采用组合开关控制，工作时始终保持在50 Hz工频运行，在低载或空载时，会带来没有必要的能源消耗。相对于组合开关控制，采用变频驱动的优势比较明显；变频驱动起动时速度缓慢增加，对机械结构零冲击，最大限度延长设备的使用寿命；变频驱动可根据电机空载运行情况，实现断链保护，减少安全事故；变频驱动在刮板运输机低载或空载时，控制系统能根据负载情况自动降低电机的转速，进而节省能源的消耗。

该文针对笔者公司研发的BPJ-400型防爆变频器和SGZ-764/500型刮板运输机，进行了变频驱动的应用研究。

1 刮板运输机变频驱动系统配置

BPJ-400型防爆变频器和SGZ-764/500型刮板运输机均为我司研发的成熟产品，BPJ-400型防爆变频器的额定功率为400 kW，SGZ-764/500型刮板运输机为双250 kW电机，额定总功率为500kW，采用两台变频器一拖一的方式进行驱动。两变频器之间采用主从通讯，机尾变频器为主机，机头变频器为从机。主控器只与主变频器进行通讯，主控器给出主变频器的速度设定，如图1所示。因刮板运输机电机刚性轴耦合，所以从变频器跟随主变频器的转矩设定；即主变频由速度环和转矩环控制，从变频器仅由转矩环控制。

2 直接转矩控制方式

BPJ-400型防爆变频器其控制主板采用ABB公司的ACS800，该主板采用直接转矩控制，Direct torque control，简称DTC，是继矢量控制之后，发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速方法，它因在转速环内直接用转矩反馈控制电機的电磁转矩而得名。很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、参数变化敏感等问题。ABB公司的ACS800变频器控制板采用无速度传感器的DTC控制方式，外环是转速环，系统通过建立的虚拟电机模型计算出转子速度信号作为外环控制的反馈信号，内环是转矩环，通过内外两环闭环控制，实现无速度传感器的电机DTC控制。

3 变频驱动的同步控制

2台电机同时拖动1台刮板运输机，因其电机轴属于刚性耦合，为提高运输机部件的使用寿命，防止因电机不同步造成的损坏，只靠电机速度同步并不能满足要求，正常运行时控制系统还要求机头机尾两电机输出的转矩相同。

根据定义，电机负载转矩率为：

δ=T/Te

式中T为电机所承担的负载转矩；Te为电机额定转矩。

负荷分配要求：δw=δt=δ即

Tw为机尾电机所承担的负载转矩；Twe为机尾电机的额定转矩；Tt为机头电机所承担的负载转矩；Tte为机头电机的额定转矩；Tz为运输机输出总负载转矩；Tze为运输机额定总转矩。

因此要求机头机尾电机输出转矩相同，其相应电机输出转矩应满足：

Tw=δzongTwe，Tt=δzongTte的要求。

实际运行过程中，主控制器实时读取机头机尾电机的转矩，然后将两电机进行比较，调整其给定频率，加大或减少电机的转差率，从而改变电机转矩以达到负载平衡。

Km为电机常数；φm为气隙磁通；ωs为转差角频率；Rr为转子等效电阻。

4 刮板运输机的节能控制

根据刮板运输机运行的各种工况，长期摸索总结，建立复杂的数学模型，并设计人机交互系统；控制系统人机界面HMI中有转速下限、转速上限、中间转速、转矩下限、转矩上限等可设置的参数；含义如下：

转速下限：参数设定分段调速的下限速度，范围400～900（rpm）。

转速上限：参数设定分段调速的上限速度，范围450～1484（rpm）。

中间转速：设定为转速上限与转速下限的中间值。

转矩下限：参数设定为分段调速时的转矩下限，范围5～90（%）。

转矩上限：参数设定为分段调速时的转矩上限，范围15～200（%）。

基本控制理念为：当实时转矩低于转矩下限时，刮板机按转速下限运行；当实时转矩在转矩下限与转矩上限之间时，刮板机按中间转速运行；当实时转矩大于转矩上限时，刮板机按转速上限运行。正常工作时控制系统实时检测负载的变化，根据控制模型，调整变频输出频率，以改变驱动电机的转速，进而实现节能降耗的目的。

5 结语

我司研发的整套刮板运输机变频驱动系统，经过井下长时间运行观察，运行稳定可靠，最大程度延长了刮板运输机的使用寿命，实现了2年无大修的目标。在降低能耗的同时，保证了矿方的高效生产，赢得了客户的高度认可。随着科技的迅猛发展，煤矿井下智能化的要求越来越高，安全、高效、节能的智能化矿井是今后发展的主要方向；由于变频驱动具有负载零冲击、电网波动小、速度调节宽、节能降耗、控制灵活等众多优点，在能耗较大和控制要求较高的场合会逐渐替代传统电机的工频直起应用。

参考文献

[1] 史颂平.变频调速智能控制节能技术[M].贵州：贵州科技出版社，2010.

[2] 张选正.中高压变频应用技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3] 黄永红.电气控制与PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.