主提升带式输送机功率平衡控制的应用探讨*

兰易军

(山西西山煤电股份有限公司，山西 太原　030203)

0　引　言

带式输送设备属于连续式输送设备，其中输送带不仅是设备的牵引装置，也是设备的承载装置，在运输散装物料过程中，此设备较易实现自动化，设备运行过程更为可靠、便于日常维护与管理，不受到地形的影响，同时物料的运输效率也相对高。正是由于带式输送设备拥有上述优点，其在煤矿开采以及冶金等很多领域中应用非常广泛。然而，在带式输送设备运转过程中，很多情况是依照煤流顺序而启动，之后便一起运转，导致很多皮带输送设备在煤流还未到之前便空转较长时间，导致电能浪费，而且皮带输送设备由于运行时间较长，易发生故障。另外，带式输送设备的监控体系不够健全，很多操作均需在井下进行，极大的影响到了煤矿开采工作的效率以及安全性。所以，有必要针对带式输送设备电机调控方式加以改造，以降低输送设备的能耗，减少人力资源的投入，从而真正实现井下输送设备无人值守的目标。

1　主提升带式输送机的特点

带式输送机主要有输送胶带、传动装置、托辊、张紧装置、制动装置等部件组成。其结构如图1 所示。

输送带经驱动滚筒和机头、机尾转向滚筒形成一个闭环皮带系统，同时上、下托辊分别支承承载、回程输送带。当需要输送原煤时，电动机带动各驱动滚筒同向旋转，张紧装置将输送带张紧，驱动滚筒与输送带之间的摩擦力运载输送带及其上面的煤炭，完成原煤输送作业。

图1　带式输送机结构示意图图

主提升带式输送机的特点如下。

(1) 多功能化，可实现多机大型化、远程大运量、高带速等核心功能，同时具备带式输送机的动态分析与监控技术，提高了带式输送机的运行性能和可靠性。

(2) 设备大型化，为适应高产量煤矿的需求，实现高产、高效的生产模式，主提升带式输送机起动转矩大，过载能力强，多机驱动、大型化是必然的趋势，也是急需装备的。

(3) 驱动智能化，主提升相关设备集中控制运行，各设备运行状态实时通讯，实现对设备的分析、比较、预警与控制，结合视频监控、远程控制、在线监测，故障诊断等系统功能实现了连续运输系统的智能化运行和控制。

2　带式输送机功率协调控制技术

功率协调控制技术指输送带运输系统运行时。各个驱动电机的输出功率或牵引力之比应与系统设计的比一致。在带式输送机中应用功率协调控制技术，可以实现各驱动电机负载功率均衡，杜绝单个电机重载而其他电机轻载现象，保证煤矿企业的安全生产。

2.1　转矩-转速控制法

在特定的转矩条件之下，借助于电机扭矩传感装置，在线完成不同电机转矩信息的收集工作，确保能够对多个电机功率平衡的控制。此种方法所设置的扭矩传感装置体积相对大，一般只是适宜应用在一些功率相对小的带式输送设备之中。

2.2　电流控制功率平衡法

对不同电机装置的电流值加以收集，并且选择出基准值，通常基准值是各个驱动电流均值，借助于差值的方法完成功率平衡调节工作，通常要确保不同的驱动电流和基准值之间的差值不能超出额定电流值的5%。要是其中一台电动机电流值出现了相对大变化，存在相对严重的过载问题，那么此时应当适宜的减少电机频率值。若是电机处在轻载状态之下，则应当适宜的增加电机频率值，如此以确保达到功率平衡调节的目标。

2.3　电流-转速多机功率平衡方法

此种调节方法拥有上述两种调节方法的优点，对电机的电流以及转速信息均加以收集，从而有效的调节不同电机输出负载转速值，确保电机处在功率平衡状态。此种调控技术的精度相对较高，因此，其逐渐发展成为了多电机情况下功率平衡的重要调控技术。针对此方法的研究多是通过仿真试验进行的，而在实际工程中应用极少。

在以上不同的调节方法之中，第一种调节方法所采用的转矩测试设备，无法针对带式输送设备的电机加以调节，所以其应用范围相对较小。第二种调节方法主要是适用在一些转速不存在偏差的系统中，通过控制电流平衡实现功率的平衡，此种方法主要是应用在一些双电机系统中，但对于一些大功率以及采用柔性连接方式的带式输送设备而言，采用此种方法无法达到功率平衡控制的目标。而第三种方法不仅充分的考虑了电流带来的影响，同时也考虑了转速带来的影响。

在实际的工程之中，通常不同电机所处的电网是一样的，此时电机所拥有的功率因素也较为接近，这样便确保了电流偏差补偿给定频率拥有更为优良的基础条件，使得多电机之间的功率平衡更易实现。采用此种控制方法过程中，会充分的考虑到电机转矩电流以及皮带实际的运行速率，同时还会考虑到胶带的给定速率，同时将这三个参数当成是控制系统的输入信息，而分别将三台监控值不同电机的变频器装置输入频率当成是输出信号，从而建立起了多输入以及多输出的闭环控制系统。

3　主提升带式输送机平衡控制方案设计

此次研究的煤矿主提升带式输送设备为三电机输送设备，其驱动方式采用的是双滚筒驱动方式。对三台电机的三相电流信息加以收集，在旋转变换之后获得不同电动机对应的转矩电流iq，同时利用iq来表示电动机所拥有的输出功率大小。因为三台电动机是处在相同电网之中，所以，我们能够应用电流值来反映功率值。

依照之前所论述的不同连接状态下相应的功率平衡策略，针对带式输送设备电动机输入频率加以控制，若是出现电流偏大的情况，则应当降低输入频率值，从而使得电动机自身的输出功率也相应减小，若是出现电流偏小的情况，在进行控制时应当增加输入频率值，从而使得电动机自身的输出功率也相应增加，最终确保各个电动机之间的功率处于平衡状态。

在输送机设备的实际运行阶段，电动机所拥有的输出功率除了和转矩电流之间存在关联性之外，同时也与电动机自身的运行速率存在关联，频率发生改变则转速也存在一定偏差，这一因素应当考虑在内。所以，电机频率调节过程中，尽可能确保频率调节之后共同转速相同。通常情况下，对于电机存在的带速偏差值应当不超过额定带速值的3%，这样才能确保不同电机之间可以更好的平衡分配负载功率。

要想确保带式输送设备之中不同的电机间功率能够平衡分配，要借助变频器有效的控制变频调速装置速率及转矩，在控制过程中所采用的控制模式为基于速度调节的控制模式，为了能够确保更好的平衡各个负载，进行速率调节过程中，采用环形交叉耦合方式加以调控，就是把环形耦合控制的方法应用于功率平衡控制过程之中。采用环形耦合控制方法情况下，依照偏差耦合相关理论，把其中某一个电机出现的转矩误差分散在另外一些电机之中，确保所有电机均能够保持相同的运行状态。由基于交叉耦合转速补偿功率平衡的控制原理能够看出，若是其中某台电动机的负载转矩出现了相对大的扰动那么这一电机转矩给定便会和其他电机转矩给定存在相对大差异，基于环形耦合控制理论，此时所出现的偏差便通过转速偏差补偿产生相应反馈，将反馈作用在其他电机之中，从而构建出不同电机间的耦合环，确保不同电机的负载功率分配能够达到动态的平衡，使得整个系统拥有更强的抗外界干扰能力。

耦合转速控制将系统中某一台电机的转速同其它电机转速分别比较，然后将得到的偏差相加作为该电机的转速补偿信号。主从控制是各从电机以主电机的输出转矩作为转矩给定信号，从而实现从电机转矩值对主电机转矩值的跟随，以确保主从电机的转矩同步运行以及负载的自动平衡分配。转矩主从控制策略方法简单、容易实现，但从电机与主电机之间及各从电机之间没有反馈，同步性及抗干扰性能不够理想。此种控制方式与采用主从控制方式对比而言，可以确保整个系统能够接受系统之中任一电动机的负载波动，以更好的确保控制的精准性。

4　优化控制系统运行节能效果

在输送机设备实际运行阶段，不仅会消耗电能，同时也会导致设备出现一定的机械损耗，主要是因为轴承部件、滚筒部件以及托辊部件等和皮带之间均存在较大摩擦，若输送设备的带速增加，则滚筒以及轴承的转速也会增加，导致机械磨耗情况会变得更为严重。通过功率平衡控制能够确保输送机设备带速处于适宜状态，可以有效的降低机械损耗，节约材料成本。

另外，在电机控制系统未进行改造时，输送机设备一直处在匀速状态下运行，运行速率为3.15 m/s，此时电动机消耗功率变为其额定功率。由于皮带是由三个电动机所驱动的，每年的运行时间按照300天计算，每天的运行时间按照14 h计算，那么皮带输送设备每年所消耗的电能变为：

W=3×200×300×14=2 520 000 (kWh)

在控制系统进行优化改进之后，依照平均的运输量进行计算，运输设备运量Q为666.7 t/h，通过带速理论计算值表进行查询能够得出，输送设备的平均运转速率为2.62 m/s，此时能够计算得到电动机的功率值是504.6 kW，经过控制系统改造之后每年所消耗的电能W′便为：

W′=504.6×300×14=2 119 320 (kWh)

因此，在经过改造之后每年的用电量便可以节约：

ΔW=W-W′=400 680 (kWh)

按照每度电0.6元计算，则每年便能够节约240 408元。

5　结　语

因为电动机自身的功率限制，和带式输送设备独特运输方式，决定了带式输送设备需要采用多电机驱动的方式。然而，带式输送设备的具体运行过程中，因为不同的电机之间所具有的负载存在不平衡问题，导致带式输送设备对于电能的消耗数量有所增加，而且在输送机设备运行过程中安全性也无法得到保障。所以，对于主提升带式输送机设备的电机控制系统加以优化改进，能够确保输送机设备更加稳定与安全的运行，同时还能够实现节能的目标，拥有非常显著的经济和社会效益。