带式输送机驱动系统的仿真模拟研究

李永红

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿， 山西 太原 030203）

引言

带式输送机承担着煤矿中散装物料的主要输送任务，带式输送机主要是由皮带、驱动装置、张紧装置、机架和托辊等组成。带式输送机主要的工作原理是依据摩擦力来进行运动，电机转动系统带动驱动辊筒转动，利用皮带和辊筒的表面摩擦力使得皮带开始转动。同时张紧装置是皮带和辊筒摩擦力在要求范围内的保证。机架和托辊等配套装置起到支撑皮带的作用，降低皮带转动时自身的阻力。当皮带运转时物料降落到带式输送机的机尾接料处，通过在皮带上进行输送至带式输送机的机头处进行卸料，进而实现对煤炭的输送。

目前，随着煤矿开采技术的不断发展，开采效率不断提高，带式输送机从原来的单机驱动逐渐发展成为了双机驱动，双机驱动不仅能够满足井下的恶劣环境，而且能够降低带式输送机在运转过程中的电能的消耗，大大减小了其机架的整体尺寸。目前现有的双机驱动系统的带式输送机存在着许多问题，具体为：启动电流过大会造成电网的冲击较大[1-2]；在带式输送机工作时电机的输出功率不稳定，造成保护器的频繁工作，影响工作效率；电能损耗严重，由于煤炭在实际输送中，运煤量会发生变化，双机驱动系统的带式输送机不能够实现无级调速，导致在煤量少的情况下仍全额高速运行，浪费电能。

1 多种控制结合的变频驱动系统

为了改变传统变频控制的带式输送机存在的问题，在原有的变频双机驱动系统上进行改进，采用了一种多种方式相结合的控制方法，使得双机驱动的带式输送机在实际运转时两电机的转速相等，输出的电磁转矩相等，其控制方法如图1 所示。皮带的转速与主电机输出转速、主电机与从电机这两方面都做到闭环控制，就可以实现转速的同步控制，这既满足了带式输送机的转速要求，又实现了主从电机的转速同步控制。在转矩方面，主从电机需要与转速进行运算比较，计算器电得到相应的控制转矩信号[3-4]。双机驱动的带式输送机的控制原理可通过以下公式进行分析。

图1 多种控制相结合的双电机带式输送机控制方法

电机电力拖动公式：

式中：tl为电机负载转矩；te为电机输出电磁转矩；J 为电机转动惯量；β 为电机角加速度；ωt为电机角速度。

角速度计算公式：

由公式（1）和（2）得出电机的输出功率计算为：

2 带式输送机双电机驱动仿真

2.1 模型建立

为了验证带式输送机在多种变频控制结合的驱动系统能否达到功率的平衡，实现变频调速，通过使用MATLAB/SIMULINK 对多种控制的方式相结合的带式输送机进行仿真分析验证其是否能够达到预想状态。仿真模型采用的电机额定功率均为50 kW，额定电压为1 140 V。仿真时间设定为10 s，采样的周期为1×10-5s，两台驱动电机的其他参数均设置为相同，带式输送机驱动系统给定的转矩在0～5 s 时转矩为0，在5～10 s 中给定的转矩为1 000 N·m。转速的给定在0～2.5 s 时为400 r/min，在2.5～5 s 时为1 300 r/min，5～7.5 s 时 为1 300 r/min，7.5～10 s 时 为800 r/min。双机驱动系统的仿真图如图2 所示。

图2 双电机驱动系统的仿真图

2.2 仿真结果及分析

仿真结果见图3，分别得到了两电机的电流。

图3 主、从电机A 相定子电流波形图

通过对电流波形图进行分析能够发现，电机在0.2 s 之前启动电流很大，为了保证在启动时电流的冲击设置有限流环节，保护电机。驱动系统两次加速阶段分别位于0.2～0.6 s 与2.5～3.5 s 这两次加速阶段的波形图上能够看出，两个驱动电机的转矩和转速是基本同步的。剩下的阶段为稳定运行阶段，稳定运行阶段的两台驱动电机的转速、转矩也达到了相等，实现了双击驱动带式输送机的同步控制[5]。

从整个系统的仿真结果来看，通过多种控制方式的变频组合后的效果，不论是带式输送机处于变载还是变速情况下，都能够实现双电机的同步控制、无级调速，启动电流以及加速电流等保持在要求的范围内。

3 结语

首先对双电机带式输送机的结构进行了阐述，提出了实现主从电机转速相同的控制方法以及输出转矩相等的控制方法。主电机的实际转速和给定的系统设定的转速、从电机的实际转速与主电机的转速这两个部分均实现闭环控制，实现了双闭环控制下的双电机的转速同步，也能够达到系统给定的转速，对主电机进行补偿转矩，实现主从电机的电磁转矩相等。最后利用MATLAB/SIMULINK 对改进后的驱动控制系统进行仿真模拟，结果表明，不论是稳定状态还是加速减速情况下，双电机驱动的带式输送机均能够达到主从电机的转速同步控制和输出功率的平衡，为双电机带式输送机今后的发展提供一定的指导作用和理论依据。