选煤厂胶带机永磁同步电动机技术研究

张志亮

（山西省河曲县晋神能源有限公司沙坪洗煤厂，山西 河曲 036500）

1 概 况

随着技术的发展，胶带机朝着大运量、长距离以及高运速的方向发展，被广泛应用于煤矿、选煤厂、码头等领域。传统胶带机对倾角的要求较高，一般要求不得大于18°，局限了胶带机的应用场所，尤其是在选煤厂。在实际应用中，胶带机的能耗较大，尤其是在大运量、长距离的运输环境下。永磁电机为高效节能的动力装置，在胶带机的应用前景突出。本文将沙坪洗煤厂胶带机为例，在分析其动力学特性的基础上，研究永磁同步电动机技术在选煤厂胶带机中的应用。

2 胶带机系统的动力学仿真

胶带机的动力学模型分为连续模型和离散模型，连续模型是将胶带机看为连续体，在对模型大量简化的基础上采用差分法对其进行求解；离散模型将胶带机分为多个单元，并逐个建立动力学方程，最终对动力学方程进行求解。

2.1 胶带机动力学模型的搭建

在建立胶带机动力学模型时需作出如下假设：将胶带机等效为在结构、几何变形的杆；假设胶带机上所运输的物料为均匀分布的；胶带机托辊旋转部分的等效质量在输送带方向上是处于纵向均匀分布的；运行阻力在胶带机承载段和回程段的分布是处于纵向均匀分布的，同时视运行阻力系数与输送带运速呈线性关系；将胶带机的驱动装置、张紧装置以及涉及到改向滚筒为刚性的；在实际运输过程中将输送带和设备在横向和纵向方向的振动视为很小，可忽略不计。

在上述假设的基础上，选择胶带机的阻力计算公式分别建立输送带各个单元、张紧装置、传动滚筒等模型，并进行质量、刚度、阻尼等参数设置，如图1所示。

图1 胶带机动力学仿真模型Fig.1 Dynamic simulation model of belt conveyor

2.2 胶带机动力学仿真结果分析

为避免胶带机在启动阶段对设备产生较大的冲击，要求启动阶段的加速度不能过大。因此，需为胶带机选择合理的软启动程序，降低胶带机启动的惯性力和冲击作用。为解决上述问题，采用正弦加速度曲线和余弦速度曲线对胶带机进行软启动控制，两种启动控制方式的对比如下。

余弦速度曲线控制：在t=0、T/2、T时刻时在此控制曲线下，对输送带的冲击为零；在t=T/4、3T/4时在此控制曲线下，对输送带的冲击达到最大。

正弦加速度曲线控制：在t=0和t=T时刻在此控制曲线下，对输送带的冲击最大。

综合对比，余弦速度控制曲线下对输送带的冲击力远大于正弦加速度控制曲线的情况。因此，最终选择采用正弦加速度曲线对胶带机进行启停控制。

（1）不同启动时间下胶带机动态特性。

分别对启动时间3、5、7和9 s时对应的输送带在启动阶段的最大张力和最大张力的波动情况进行分析，结果如图2所示。

图2 不同启动时间对应胶带机的最大张力及其波动幅度情况Fig.2 The maximum tension and fluctuation amplitude of the belt conveyor corresponding to different starting time

随着启动时间延长，胶带机在启动阶段的最大张力和张力的波动情况均在减小，即对胶带机的冲击减小。因此，在实际控制中在保证启动时间不超过限值的基础上，可尽可能的延长启动时间，可以有效改善胶带机的动态性能，减少对设备的冲击。

（2）不同启动速度下胶带机动态特性。

设定胶带机的启动时间为3 s，分别对启动速度为1.6、2.0、2.5和3.15 m/s情况下胶带机的最大张力及其波动幅度情况进行分析，结果如图3所示。

图3 不同启动速度对应胶带机的最大张力及其波动幅度情况Fig.3 The maximum tension and fluctuation amplitude of the belt conveyor corresponding to different starting speeds

随着启动速度的增加，胶带机的在启动阶段的最大张力和张力的波动情况均在增加，即对胶带机的冲击增加。但是，当启动速度增加到一定值后，张力和张力幅波动幅度的变化趋势减缓。因此，在实际控制中可寻求一个最佳运行速度，在保证胶带机运输效率的基础上，减小对系统造成的冲击。

3 胶带机永磁同步电动机技术研究

传统胶带机采用大功率异步电动机为核心，并配置减速器、液力耦合器装置、驱动滚筒等。传统异步电动机控制系统存能耗较大、设备维护困难、对系统冲击较大以及动态响应特性较差等问题。通过上文可知，系统冲击极大的问题可通过合理调整启动时间和启动速度解决；而能耗较大的问题，可通过替换永磁同步电动机为核心实现。

3.1 永磁同步电动机参数的确定

永磁同步电动机与大功率异步电动机相比，其定子和转子铁心的导磁率较高、损耗较低，可有效降低电机的损耗。鉴于胶带机电机一般为低速大转矩的状运行，且对应电机的极数较多。因此，采用永磁同步电动机的结构为切向式转子结构，可通过提供足够大的激励磁场达到减少额定电流的目的，降低电机的损耗。确定的永磁同步电动机的参数如下：

定子外径/mm 1 800

定子内径/mm 1 540

转子外径/mm 694.4

转子内径/mm 584

铁心长度/mm 1 110

气隙长度/mm 420

定子槽数 48

3.2 永磁同步电机的控制及仿真分析

永磁同步电动机可采用的变频调速控制方式有直接转矩控制、恒电压/频率比控制、矢量控制。直接转矩控制方式下电路中的谐波量较高，且转矩的脉动情况严重，对系统的冲击较大；恒电压/频率比控制容易由于电压赋值频率和负载不匹配导致系统不稳定，且对应的控制硬件成本较高；矢量控制方式又称为磁场定向控制，该控制方式为三环调节系统。本文采用PMSM矢量控制方式对永磁同步电机进行控制，控制系统如图4所示。

图4 永磁同步电动机矢量控制系统框图Fig.4 Block diagram of vector control system for permanent magnet synchronous motor

为验证永磁同步电机矢量控制系统的性能，基于MATLAB软件对控制性能进行仿真分析，设定电动机参数，永磁同步电动机极对数为4，电机定子的电感为8.5 mH，定子电阻值为2.875Ω，转动惯量为0.003 kg·m2。

仿真周期设定为10μs，仿真时间设定为0.4 s，PWM的开关频率设定为10 kHz，对应的速度环模糊控制器的参数分别为c=60、q=300、ε=200。

仿真结果表明，当永磁电动机载荷发生突变时，线路中的电流明显上升，对应的永磁同步电动机转速瞬间下降，但在极短时间内调整完成，上升至原转速。也就是说，在实际应用中发生载荷突变时，线路电路响应增加，整个控制过程中较短，响应速度较快，控制过程也相对平滑。

此外，永磁同步电动机与传统大功率异步电动机节能效果对比见表1。

表1 永磁同步电动机节能效果Table 1 Energy saving effect of permanent magnet synchronous motor

采用永磁同步电动机后在相同工况下系统能耗明显降低，整体节能效果22.3%，功率因数提高49.3%。

4 结 论

胶带机是选煤厂的主要运输设备之一，传统胶带机在实际应用中存在能耗较大、在负载发生突变时系统不稳定以及启停阶段对系统的冲击较大等问题。为此，以沙坪洗煤厂胶带机为例，开展胶带机的动力学特性仿真分析和永磁同步电动机技术的应用研究。

（1）根据胶带机动力学特性仿真结果，可通过延长启动时间，将启动速度控制在合理范围，减小胶带机在启动阶段对系统造成的冲击。

（2）采用PWSM矢量控制方式对永磁同步电动机的控制，在设备负载发生突变时可在极短时间内完成响应控制，保证整个控制处于平稳状态。

（3）采用永磁同步电动机后，与采用传统大功率异步电动机相比，整体节能效果22.3%，功率因数提高49.3%。