双电机驱动刮板输送机电机功率不平衡分析及控制技术应用_左强.pdf

双电机驱动刮板输送机电机功率不平衡分析及控制技术应用左强（汾西矿业集团高阳煤矿，山西孝义032300）摘要：采用 Simulink 软件对刮板输送机机头、机尾功率不平衡影响因素进行分析，并掌握负载、电机启动间隔对功率不平衡的影响。提出采用模糊 PID 控制技术对电机运行进行控制，现场应用后，该控制技术可显著改善机头、机尾电机功率不平衡问题，提高刮板输送机运行可靠性。关键词：刮板输送机双机驱动功率不平衡模糊 PID 控制中图分类号：TD528.3文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0259-03引言刮板输送机是综采工作面主要设备，为采煤机往返运行提供通道并实现煤炭运输，刮板输送机运行效率、可靠性及安全性会直接影响煤炭生产1-2。同时随着采面煤炭生产能力增加，刮板输送机装机功率明显增大，通过对刮板输送机运行情况进行监测，发现刮板输送机在使用过程中主要面临以下问题3-6：刮板输送机驱动装置频繁重载启动，电能消耗量大且对供电电网有一定电气冲击，影响采面其他设备正常运行；设备重载启动较为困难，容易给驱动装置以及刮板链、中部槽、链轮等设备造成冲击，影响设备使用寿命；2 台或者多台驱动电机时，受到不同电机工作差异性影响，导致电机出现功率不平衡问题，给刮板输送机高效使用带来影响。山西某矿 3605 综采工作面采用双电机驱动刮板输送机，文中就以该刮板输送机为例，分析刮板输送机启动时负载特征并确定影响电机功率不平衡因素，最后通过采用模糊 PID 控制对刮板输送机运行进行控制，实现双电机功率平衡。1刮板输送机负载特征分析刮板输送机在运行过程中通过链条传动动力，驱动电机机械动力经液力偶合器、减速器等带动链轮转动，实现刮板链往返运移；通过刮板链将采煤机截割煤炭运输至机头位置，并通过转载机、带式输送机外运7-9。刮板输送机一般采用异步电机，该电机具备性能优良、可靠性以及稳定性较强等优点。采煤工作面生产条件复杂，落入到中部槽内的煤炭会对刮板输送机产生一定冲击，从而给驱动电机稳定运行带来一定影响；特别是刮板输送机在重载直接启动时，驱动电机会占用供电系统较大电流，从而影响供电系统其他设备正常运行。图 1 为 3605 综采工作面双电机驱动刮板输送机负载特征曲线，该刮板输送机正常运行时电流、功率分别为 198.1 A、3.3 kW，过载系数 3.8，转速 1 490 r/min。从图 1 看出，当刮板输送机启动时 I（瞬间启动电流）达到 In（额定工作电流）8 倍以上，对供电电网有较为显著的影响；启动转矩在启动过程中呈现先缓慢增加集聚增加陡然降低趋势，会给刮板输送机驱动装置及附属设备带来较大影响，影响刮板输送机运行平稳性。通过顺序启动可在一定程度降低刮板输送机启动过程中电气以及机械冲击影响。2刮板输送机电机功率不平衡因素分析通过 Simulink 软件构建仿真模型，掌握采面正常生产期间刮板输送机电动机电流变化，并分析影响刮板输送机双机功率平衡的因素。2.1负载对功率平衡的影响刮板输送机在不同负载下有明显差异，对空载、轻载（50%额定载荷）、满载时刮板输送机运行特性进行分析，具体结果如下页图 2 所示。从图 2-1 看出，刮板输送机在空载启动时，机头、机尾电机输入电流未出现明显差异，功率不平衡显现不明显；从图 2-2 看出，在轻载状态下启动时，机头、机尾电机输入电流出现一定差异，其中机头电机、机收稿日期：2022-03-01作者简介：左强（1992），男，山西平遥人，本科，毕业于太原理工大学采矿工程专业，助理工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.104图 1采面双电机驱动刮板输送机负载特征曲线4.03.02.01.00.08.06.04.02.00.0204060801000I/InM/Mn转矩比，M/Mn电流比，I/In时间/min技术应用机械管理开发第 38 卷尾电机输入电流分别为 126 A、104 A，电机功率不平衡系数约为 21.15%；从图 2-3 看出，在重载状态下启动时，机头、机尾电机输入电流出现明显差异，其中机头电机、机尾电机输入电流分别为 176 A、141 A，电机功率不平衡系数约为 24.82%。从上述分析可以看出，刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡度与负载有密切关系，负载越大不平衡度越高。2.2启动间隔对功率平衡的影响采用顺序启动方式可减轻甚至解决负载启动时电机功率不平衡问题，在仿真时分别设定机头电机滞后机尾电机 1 s、2 s、3 s 启动，对上述三种时间间隔下刮板输送机电机功率平衡特性进行分析。具体仿真结果如图 3 所示。从图 3 中可知，刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡受启动间隔时间影响。从图 3-1 看出，当启动间隔时间为 1 s 时，机头、机尾电机输入电流分别为131 A、115 A，电机功率不平衡系数约为 13.91%；从图3-2 看出，启动间隔时间为 2 s 时，机头、机尾电机输入电流分别为 128 A、122 A，电机功率不平衡系数约为 4.92%；从图 3-3 看出，启动间隔时间为 3 s 时，机头、机尾电机输入电流分别为 126 A、123 A，电机功率不平衡系数约为 2.44%。从上述分析看出，刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡程度随着电机启动间隔增加呈降低趋势。3模糊 PID 变频控制3.1模糊控制器模糊控制是一种较为新颖的控制方法，该控制技术可对非线性、复杂变化特征的对象进行精准控制。在模糊 PID变频控制中将输入控制量，具体包括数据误差、误差变化率以及误差变化率变化程度等，将上述输入控制量经过模糊控制器内置控制方法给出输出量的变化量，从而实现结果控制。模糊 PID控制是在传统的 PID控制基础上，根据模糊控制原则对输入2-1空载状态2-2轻载状态2-3重载状态图 2不同状态下刮板输送机电机启动电流变化曲线3-1机头电机滞后机尾电机 1 s3-2机头电机滞后机尾电机 2 s3-3机头电机滞后机尾电机 3 s图 3机头、机尾电机功率不平衡与启动间隔时间对应曲线90807060504010152025303540455055605时间，t/s电流，I/A机头电动机机尾电动机140120100806040电流，I/A10152025303540455055605时间，t/s机头电动机机尾电动机200180160140120100806040电流，I/A10152025303540455055605时间，t/s机头电动机机尾电动机140130120110100908070605040电流，I/A机头电动机机尾电动机10152025303540455055605时间，t/s140130120110100908070605040电流，I/A10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605时间，t/s机头电动机机尾电动机机头电动机机尾电动机140130120110100908070605040电流，I/A10152025303540455055605时间，t/s2602023 年第 2 期参数进行预处理，在计算器中内置有模糊控制规则以及初始 PID参数等，具体采用的模糊 PID控制原理如图 4 所示。当模糊 PID控制接收到相关指令后，依据内置控制算法对输入参数进行处理，从而得到最佳控制指令。3.2试验分析采用模糊 PID控制对刮板输送机运行进行控制，对应用前后刮板输送机运行情况进行监测，具体统计结果如表 1、表 2 所示。从表 1、表 2 可看出，刮板输送机采用 PID 控制后，刮输送机在空载、轻载以及重载启动时不平衡系数 分 别 由 1.24%、21.15%、24.82%降 低 到 0.68%、3.43%、4.42%；刮板输送机机尾与机头启动间隔时间1 s、2 s、3 s 时不平衡系数由 13.912%、4.922%、2.442%降至 8.532%、6.302%、1.632%。刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡情况得以明显改善。4结语随着综采工作面推进速度以及斜长增加，采面煤炭生产能力显著增大，刮板输送机负载明显增加，为满足重载运输需求，采面采用的刮板输送机多为双机或者三机驱动。多机驱动刮板输送机在使用过程中容易出现功率不平衡问题。文中采用 Simulink 软件并以山西某矿 3605 综采工作面采用的双电机驱动刮板输送机为例构建模拟模型，对刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡影响因素进行分析，发现机头、机尾电机功率不平衡程度随着启动负载增加而增大、随着启动时间间隔增加而缩小。提出采用模糊 PID控制对机头、机尾电机运行进行控制，并对应用前后电机功率不平衡情况进行对比分析。发现采用模糊 PID控制后，刮板输送机机头、机尾电机功率不平衡情况得以明显改善，可在一定程度提高刮板输送机运行效果。参考文献1杨耀杰.刮板输送机多电机运行控制研究J.机械管理开发，2021，36（11）：223-224；227.2贺虎成，王成，师磊，等.刮板输送机双电机驱动变频控制策略研究J.煤炭工程，2021，53（9）：89-94.3吴佳佳.矿用多电机驱动刮板输送机功率平衡控制研究J.机械管理开发，2020，35（12）：262-264.4郅富标.基于功率平衡的刮板输送机控制系统仿真分析J.煤矿机械，2020，41（9）：80-82.5刘志辉.郭家湾煤矿刮板输送机变频驱动优化设计与实现D.西安：西安科技大学，2020.6王新成.刮板输送机多电机驱动功率平衡控制系统的研究J.机械管理开发，2020，35（4）：75-76；79.7崔红伟，李隆，刘伟.启动时间对双机驱动刮板输送机功率平衡影响J.机械设计与制造，2020（3）：194-197；202.8祁浩.刮板输送机驱动功率不平衡分析及改进措施J.机械研究与应用，2019，32（6）：167-169；175.9史洪泉.煤矿刮板输送机变频技术研究及应用J.当代化工研究，2019（5）：198-199.（编辑：贾娟）图 4模糊 PID 控制示意图启动负载原始状态输入电流/A模糊 PID控制输入电流/A功率不平衡系数/%机头电机机尾电机机头电机机尾电机原始状态 模糊 PID控制空载73.272.373.673.11.240.68轻载12610417516921.153.43重载17614111310824.824.42表 1不同负载时电机功率不平衡情况启动间隔时间/s原始状态输入电流/A模糊 PID控制输入电流/A功率不平衡系数/%机头电机机尾电机机头电机机尾电机原始状态 模糊 PID控制113111512911813.918.5321281221271194.926.3031261231231212.441.63表 2不同启动时间间隔时电机功率不平衡情况Analysis and Control Technology of Motor Power Imbalance of Double Motor Driven ScraperConveyorZuo Qiang（Gaoyang Coal Mine,Fenxi Mining Group,Xiaoyi Shanxi 032300）Abstract:Simulink software is used to analyze the factors affecting the power imbalance of scraper conveyor head and tail,and to grasp theinfluence of load and motor starting interval on the power imbalance.The fuzzy PID control technology is proposed to control the motoroperation,and after field application,the control technology can significantly improve the head and tail motor power imbalance problem andimprove the reliability of scraper conveyor operation.Key words:scraper conveyor;dual motor drive;power imbalance;fuzzy PID controlkpkikdKp=kp+kpKi=ki+kiKd=kd+kd模糊推理模糊化eecddteni（t）传感器PID控制器控制系统n0（t）左强：双电机驱动刮板输送机电机功率不平衡分析及控制技术应用261