皮带多电机驱动中的功率自动平衡研究

孙志刚

（西山煤电（集团）公司 屯兰矿，山西 古交 030206）

西山煤电（集团）公司屯兰矿12407工作面皮带运输距离长达2000m，皮带安装完工后，由于运输距离长，皮带负载分布不均匀，3台电机输出功率不平衡，导致频繁出现1台电机故障不启动，在初采初放过程中，皮带运输一直不正常，而由2台电机驱动，运输过程中经常过载停机，严重影响皮带的正常运输，从而导致工作面不能完成既定的产量计划。为了解决皮带运输过程中电机不启动问题，该矿通过分析3台电机启动及运行中的功率及启动电流，最终发现皮带头2#电机的启动功率要远远大于其他2台电机，并且3台电机的运行功率差异较大，存在较大的不平衡性，经常出现2#电机不启动。为此需要解决3台电机运行中的功率自动平衡问题。

1 12407工作面皮带的布置形式

屯兰矿12407工作面走向2029m，由于2#、3#煤合采，平均采高4.5m，开采煤量全部由1条距离2000m的皮带运输，皮带带宽1.2m，采用可伸缩胶带机。皮带头位于12407皮带巷口，与南四集中胶带搭接。皮带机尾位于1993m处，与桥式转载机搭接。皮带分别由3台315kW 电机驱动。其中皮带头布置2台电机，斜切眼位于皮带巷1130处，设置中驱动，布置1台电机，3台电机都由皮带头集中控制。3台电机分别由3台变频器驱动，实现同步功率输出。12407皮带布置示意图见图1.

图1 12407皮带布置示意图

2 功率自动平衡在皮带电机驱动过程中的实现

2.1 电机不启动的原因分析

在皮带开启后，经常出现皮带打滑，皮带压死等故障。经过系统排查，发现在皮带启动后，皮带头2#电机经常自动停机，皮带运输单靠1#、3#电机驱动。由于皮带上煤量大，电机负荷过大，导致电机过载，有时候皮带打滑，无法正常开启。经过仔细对3台电机启动及运行过程的监测，发现2#电机的启动电流要远远大于1#和3#电机，导致2#电机一启动便出现过载停机。因此，要保证皮带平稳启动、运行，必须保证3台电机的启动电流、运行功率相互平衡，为此，有必要研究3台电机驱动中的功率自动平衡问题。

2.2 功率自动平衡功能的实现

12407运输皮带的3台电机分别由3台变频器驱动，保证了皮带从启动到正常运行实现平稳过渡，避免启动电流过大带来的冲击负荷。变频器的特点是通过改变频率的大小，调整电机的输出电流、功率、转速等。为了实现3台电机启动及运行过程功率平衡，采用了先进的PLC控制3台变频器。PLC选用西门子公司的S7-200，通过S7-200通讯接口与变频器通讯接口连接，执行相应的通讯协议，进行远程控制3台变频器的启动频率，从而控制3台电机的运转。

2.2.1 利用PLC实现对变频器的控制

PLC的优点是能够对皮带巷的3台变频器实现集中控制，通过选择最优算法，对3台变频器的启动电流及频率进行在线监测，通过监测反馈的数据，进行比较，在此设置允许误差。假设1#电机启动电流为I1，2#电机的启动电流为I2，3#电机启动电流为I3.当（I1-I2）／I2≥10%时，PLC自动调低I1，当（I1-I2）／I2≤-10%时，PLC自动调低I2；同样当（I2-I3）／I3≥10%时，PLC自动调低I2，当（I2-I3）／I3≤-10%时，PLC自动调低I3；当（I1-I3）／I3≥10%时，PLC自动调低I1，当（I1-I3）／I3≤-10%时，PLC自动调低I3.总之，PLC读取来自变频器的3台电机启动电流，三者之间两两相互比较，允许误差为10%，PLC始终循环扫描，将监测的电流值进行比较，始终在3个电流值中将较大的电流调节至10%的误差范围之内，保证3台电机启动时不会出现因某台电机启动电流过大而过载的现象。

2.2.2 利用PID实现变频调速和平衡功率控制

PID控制器在当前多点电机驱动领域应用很广泛，其主要功能就是利用闭环控制模式，实现对多个电机的功率平衡控制。通常PLC都能实现PID控制功能，同时变频器本身也自带PID控制功能。12407皮带巷利用PLC优化了3台电机的启动电流，保证3台电机启动电流误差控制在±10%之内，其主要通过启动电流比较，将启动电流偏大值进行微调。但由于皮带运输距离长，皮带运输负荷大等特点，启动电流过小，启动功率就小，会导致电机无法启动，皮带不能正常开启。因此，采用先进的PID控制算法，既要实现3台电机都平稳启动，又要实现3台电机启动后功率平衡，保证皮带开启后平稳启动直至平稳运行。PID控制算法设计，见图2.

图2 PID控制图

以3台电机电流的平均值的差值作为调节功率平衡的一个条件，取平均值减少误差。电流差值的绝对值在一个范围的时候是调节的条件。一般额定电流的10%或更小。以一个可以调节时间的脉冲，在自己设定的时间内，一般10s.当出现功率不平衡时，此时间设定能让改动后的频率达到改动值，时间不能太短或者太长，否则导致功率调过。时间根据实际情况变动。频率给定一次调节的大小，自己设定，功率平衡功能是在变频加速后自动开启，如果有某台变频采回的电流是由于电流模块故障而出现数据异常的时候，有相应的转换开关把功率平衡功能切断实现应急启车。通过现场情况的跟踪，该皮带运行状况良好，3台电机之间的电流差值为2～3A.

3 结 论

12407皮带驱动采用了先进的PLC集中控制3台变频器，运用先进的PID算法控制3台变频器的输出频率，最终保证将3台变频器的输出频率误差减少至最小。通过功率自动平衡调节后，彻底解决了之前2#电机不启动的故障，保证在皮带开启后，3台电机都平稳启动，平稳运行。皮带运行平稳，工作面设备开机率得到保障。在初采初放时，皮带经常过载，圆班产量仅为3刀煤。经过调整设计，目前圆班产量6刀煤，保证了计划产量的按时完成。满足了工作面设计要求，提高了生产效益。最重要的是对长距离皮带运输中经常出现的电机输出功率不平衡问题探索出一条切实可行的解决方案。

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