长距离带式输送机多电机驱动控制系统的仿真研究

申亚伟

（晋能控股煤业集团忻州窑矿，山西 大同 037000）

引言

带式输送机作为煤矿开采中主要的煤炭运输设备，被广泛地应用在煤炭开采作业的各种原煤运输场所，是煤矿运输的核心设备。当前国外的带式运输机带速一般在7～12 m/s，最高达15 m/s，最长运输距离已达到30.4 km，国内大部分的带式运输机速度在2～3.15 m，最大带速不超过4.5 m/s，最长单机运输距离仅10 km，远不及国外水平，而我国煤炭开采业也在迅速地向高产高效的方向发展，因此高带速、长距离、大运量是带式运输机发展的必然趋势。

1 多电机驱动带式输送机特性分析

1.1 带式输送机结构

带式输送机是以输送带为承载机构进行矿物输送的，主要由输送带、驱动装置、支架、托辊等构成。带式输送机是利用输送带和驱动滚筒间的摩擦阻力来实现输送带的运转，从而实现矿物的运输[1]。在煤炭开采中，原煤运输起点到存放点一般距离较长，因此长距离带式运输机就应运而生，在长距离带式运输机设计中，一般采用多电机分点驱动的方式对带式运输机进行控制。

1.2 多电机驱动问题分析

多电机分点驱动长距离带式输送机时，认为每个电机的功率、转速等相同，但在实际运行中，由于设计、制造等各种误差，使得每个电机实际输出并不相等，会导致电机与负载分配不匹配[2]，使得设备不能正常工作或损坏，甚至有可能造成事故，因此控制电机的输出平衡，使输送带的张力保持在规定范围内，使系统平稳启动运行，有非常重要的意义。文章就该问题进行分析研究，从而设计有效保证输送机平稳启动的控制系统。

2 带式输送机多电机驱动方案

2.1 多电机驱动布局方案

山西某煤矿现用带式输送机输送带长6 km，采用多电机多点驱动，原有的恒压频控制方式实际应用中存在运行不平稳的现象，以该输送机为研究对象，用等距法设置3 个驱动在输送机的头部、中部和尾部3 个位置，驱动布局见图1。

图1 带式输送机多电机多点驱动布局图

2.2 控制方式的选择

采用多电机驱动系统选择闭环直接转矩控制变频方式来控制，通过反馈电机的定子的电压和电流，经过计算分析得出电机实际运行的磁链值和转矩值，将其与设计值进行比较，得到合适的控制信号，从而控制电机输出转矩。

3 带式输送机多电机驱动方案的仿真研究

3.1 带式输送机系统模型的建立

以山西某煤矿现用带式输送机原型建立模型。输送机具体参数如下页表1 所示。

表1 带式输送机建模参数表

将输送带以50 m 为一个单元分解为多个子单元，一个子单元为一个模块，串联多个模块并与输送机上的其他结构连接，获得带式输送机整体模型。利用AMESim 软件建立带式输送机系统的仿真模型。建立模型时，视滚筒为刚性体，假设托辊质量平均附加于输送带上，假设运行中的阻力也是均匀附加在输送带上的[3]，将输送机分为输送带、驱动、减速器、张紧四个模块建模。

3.2 联合仿真模型建立

采用闭环直接转矩变频控制技术控制带式输送机驱动电机，结合前文布局说明，针对多电机分点驱动，利用VC++联合软件AMESim 和Simulink 为一个仿真平台，对所设计方案进行仿真分析。在AMESim 软件中建立输送机模型，并将其中的物理信号反馈给Simulink 中建立的直接转矩变频控制器里，信号经控制器处理生成控制信号输入到AMESim 模型中，控制输送机模型的运行状态[4]。图2 为Simulink 中建立的直接转矩变频控制器的仿真模型，控制器参数磁链给定值为0.95 Wb/ 匝，磁链滞环范围为[-0.001，0.001]，转矩滞环范围为[-0.1，0.1]。

图2 带式输送机控制器模型图

3.3 仿真结果

为准确研究文章设计系统的运行特性，选择带式输送机上机头、机尾以及中间每1 km 距离处，和动电机为研究对象，分析其速度和转矩等特性。如图3所示为输送机速度、加速度、张力曲线图。分析可知：

图3 带式输送机仿真结果曲线图

1）分析速度曲线，前50 s，输送机速度从机头至机尾有短暂波动，由头至尾呈递减趋势，最大波动速度为0.8 m/s，原来最大波动速度有0.85 m/s，波动时间仅有10 s。50 s 后进入S 形加速启动阶段，该阶段输送带各处速度没有明显波动，实现无极调速，加速完成进入运行阶段后，输送带各处速度仍保持平稳。

2）分析加速度曲线，在前50 s 张紧阶段，各处加速度有波动，10 s 后波动基本消失，在系统加速阶段，加速度正常变化，基本平稳无波动，系统匀速运行阶段，各处加速度为0，输送机运行平稳.

3）分析张力曲线，在系统启动和平稳运行阶段，张力从机头至机尾递减，机头处最大张力约65 kN，稳定运行阶段，输送机各点张力大致稳定，无太大波动。

4 结论

1）针对长距离带式输送机多电机驱动控制系统存在的启动运行不平稳问题，提出采用闭环直接转矩变频控制方案控制电机驱动系统；

2）以山西某煤矿现用带式输送机为研究对象，对多电机布局进行设计说明，利用AMESim 软件对系统建模，进而联合AMESim 和Simulink 软件进行控制器和系统的联合建模并仿真；

3）分析仿真结果，可知文章设计的控制方案有效改善了输送机启动过程中速度、加速度波动情况，最大张力也有所控制，且稳定运行阶段，速度、张力也相对平稳，输送机性能得到优化。