关于DTC80 型带式输送机多电机变频器功率平衡的仿真分析

赵 征

（晋能控股煤业集团南河煤矿，山西 高平 048400）

1 带式输送机驱动系统现状

为了提高带式输送机的工作效率，使其能满足生产需要，研究人员不断尝试加宽输送带带宽、提高设备运行速度等方法，但对设备硬件的改造，对提升输送机效率收效甚微。随着变频器技术的不断发展与应用，使得带式输送机的效率得到了极大提高，尤其是中高压超大容量变频器的出现，使带式输送机逐步向高速、重载、精准控制等方向发展[1]。

目前，带式输送机驱动控制系统有了多样化的发展，如异步电机配减速箱的直驱系统、液力偶合驱动系统、异步电动机配WES 软驱动控制、变频器驱动控制等。目前基于PLC 控制器的带式输送机变频驱动控制系统，其结构稳定、抗电网冲击能力强，在大型的带式输送机上应用较多。该驱动控制系统实现了软启动与软停车，对设备起到了较好的保护作用，延长了设备的使用寿命[2]。

2 多电机驱动的功率平衡

随着带式输送驱动控制系统技术的不断发展与进步，对控制系统的要求也逐渐提高，尤其是目前大型带式输送机均采用多台电机同时驱动，多电机的协同控制对增加输送机的运量与长度具有重要作用。皮带输送机输送带具有较大的弹性，也可能存在不同电机差异、驱动滚筒不一致等都可能导致多电机驱动带式输送机驱动力不一致的情况，导致电机过载、电能浪费，甚至可能出现有的电机过载导致设备烧毁。

带式输送机工作主要依靠皮带与滚筒之间的摩擦力传递载荷，对于皮带而言摩擦力即是牵引力，但如果皮带与滚筒之间产生滑动，摩擦力则可能减小。因此多电机驱动控制系统便需要控制电机的输出功率，避免皮带打滑。功率的平衡包括根据皮带上负载调节电动机的输出功率，保障皮带对货物的有效运输，同时避免皮带打滑[3]。

3 变频驱动系统的设计

3.1 变频器工作原理

变频器可分为交流变频与直流变频两类，交流变频器使用范围较窄，在此不再赘述。直流变频器的工作原理是利用整流设备，将交流电转变为直流电，直流电则可通过改变电源的频率实现对电机输出功率的条件。

3.2 变频驱动单元

带式输送在启动或停车过程中对变频控制器要求较高，根据项目需求选择了德国西门子的矢量变频控制器MMST-BJ 型变频器，该变频器驱动单元主要由10 kV 电网、断路器、变压器、变频器等结构组成。该型变频器驱动系统采用了三电平、智能控制、矢量控制等技术，与之匹配的三向异步电机额定容量为5.2 MVA，设备的额定电压是3.6 kV。该变频驱动控制器具有启动电流小、启动时间可设定等特点，对于保护设备、减小机械结构之间的冲击具有重要作用[4]。

3.3 驱动单元的主要设备

驱动单元结构中稳流器选择型号为9CSE80AA1，其电源额定电压为2×3-ph1.2kV AC；变频器整流器型号为SIMOV-ST，将两个不可控桥式二极管分别连接到三相绕组的低压电网上，从而形成一个稳定可靠的12 脉冲低压电源。逆变器由HS-IMJS 二极管、续流二级管和中点二级管构成，利用二极管单相流动的特性，保障二极管上的电压均匀分配。

4 Matlab 仿真模型

基于Matlab 建立带式输送机多电机驱动下的变频器功率平衡分析模型，MATLAB 是由Math Works 公司研制开发一种强大的数学分析计算软件，具有较强的矩阵计算能力、图像处理、分析高效，具有许多分析模块，可靠的分析工具。Matlab 其中包含Simulink 分析模块，该模块具有较强的仿真分析能力，是实现动态系统仿真分析的一个集成式的通用平台，可根据需求搭建仿真模型。

根据DTC80 型带式输送机多电机变频器原理构建一个主回路，两个从回路的仿真模型。回路采用闭环式矢量控制，外部控制器通过主回路、从回路按驱动系统的运动方程计算驱动电机的输出值，主、从机转矩计算模块根据电动机在电磁转矩方程计算而得，从而实现对不同驱动电机输出功率的控制[5]。

5 仿真分析结果

5.1 带式输送机的启动仿真

为了模拟带式输送机驱动电机启动特征，选择三台驱动电机中的一台进行仿真分析，此时选择具有转速闭环控制系统的1 号驱动电机。仿真分析该电机在启动过程中，传输皮带的力学特征，在t=0 s时，设定带式输送机的驱动电机转速为100 r/min，t=0.5 s 时，驱动电机转速设定为960 r/min，模拟分析带式输送机启动动态仿真，图1 为在模拟启动过程中驱动电机的转矩以及速度随时间波动变化情况[6]。

根据图1 可知，带式输送机启动实现了“S 形曲线”启动，即在带式输送机启动过程中只对速度进行两次设定即可实现带式输送机的软启动，在实际应用中带式输送机的软启动，既可降低对设备的冲击，延长其使用寿命，又可以降低设备能耗，对提高经济效益具有重要作用。

图1 带式输送机启动过程动态仿真曲线

5.2 带式输送机的功率平衡仿真

分析带式输送机不同驱动电机在输送机不同状态下的驱动电机之间协同关系，在此选择分析带式输送机的主驱动电机和两个从驱动电机在动态载荷作用下，三台驱动电机输出转矩之间的关系。在模型构建时设置变频器、电动机等设备的参数与实际系统保持一致。带式输送机在t=0 s，开始施加负载转矩T=400 N·m；t=1 s 时，将输送机负载转矩设置为600 N·m。图2 为三台驱动电机输出转矩随时间变化曲线。

图2 三台驱动电机输出转矩变化情况

根据带式输送机的功率平衡仿真分析结果，三台驱动电机的输出扭矩基本一致，无论是在刚启动瞬间，还是中途增加输送机负载扭矩的情况下，主动电机的输出扭矩与从动电机的输出扭矩基本维持在1∶1 左右，即可视为多电机驱动变频器实现了良好的功率平衡问题，说明该变频驱动控制系统具有较好的调控能力。

根据DTC80 型带式输送机多电机变频器结构建立Matlab 动态仿真模型，分别对带式输送机启动特性与对电机输出功率平衡问题进行了仿真分析，仿真结果表明该系统具有良好的缓启动功能，同时对多电机的输出功率控制具有很好的控制能力。

6 结论

带式输送机多电机之间的协同控制，有助于提高设备的工作效率、降低使用成本，因此对多电机驱动控制系统的设计与研究具有重要意义。基于现有的DTC80 型多电机驱动的带式输送机变频驱动控制系统的结构设计，利用Matlab 构建其动态仿真分析模型，分析研究该型带式输送机的启动特性与动态特性。仿真分析结果表明，该驱动控制系统可达到设计的驱动控制要求，驱动电机在变频驱动控制器的控制下可实现S 形曲线启动，即可缓启动；同时根据驱动控制系统动态仿真分析可知，驱动控制系统对各电机输出转矩控制较好，对主、从驱动电机之间的输出基本实现了1∶1。该仿真系统分析成功对研究驱动控制系统性能具有重要参考，对于提高带式输送机结构设计具有重要作用。