（电气工程专业论文）带式输送机的智能控制方法研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 带式输送机的智能控制方法研究 电气工程 朱玉敏 王勉华 摘要 ( 签名) 赵丕 ( 签名) 本文针对宁夏煤业集团灵新矿主井运输系统存在的问题及改造的必要性，分析了带 式输送机驱动与控制的现状、发展趋势，提出了采用p l c 控制调速型液力耦合器，进 而驱动带式输送机的控制方案。 本文研究了带式输送机控制的最关键的三个问题： 一是带式输送机软起动过程的特性分析，并给出了最理想的起动加速度曲线；二是 多电机驱动时的功率平衡问题，通过对驱动滚筒牵引力的理想分配和实际分配及带式输 送机功率平衡的影响因素的分析，提出了功率平衡的控制方法：检测带式输送机各驱动 电动机的电流，将其输入到p l c 中，并与参考电流值进行比较，取检测到的电流信号 与参考电流值的差值作为控制信号，控制步进电动机的转动，带动液力藕合器勺杆运动， 进而调节液力祸合器内充油量的大小，达到控制电动机功率的目的；三是带式输送机综 合保护。 针对这三个方面的问题，设计了带式输送机的智能化自动控制系统，并给出了软起 动、功率平衡和综合保护的p l c 控制程序流程图。 为了提高功率平衡的控制精度，采用了模糊控制原理，建立了总控制决策表。并在 m a t l a b 仿真环境中，建立了电动机和调速型液力耦合器的仿真模型，并结合模糊控 制算法，建立了控制系统的仿真模型，经过仿真可知功率平衡的控制精度较高，可以实 现带式输送机的多电机驱动功率平衡。 现场运行情况表明，本文设计的自动控制系完全满足预先提出的要求，是适合推广 的一种带式输送机的控制方案。 关键词：带式输送机；软起动；功率平衡；综合保护 研究类型：应用研究 s u b j e c t：i n t e l l 逛e n tc o n t r 0 im e t h o dr e s e a r c ho fb e l tc o n v e y o r s p e c i a l t y ：e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e：z h uy h m i n i n s t r u c t o r ：w a n gm i a n h u a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 血逝 ( s i g n a t u r e ) i l lt h ep 印e r ，a i m i n ga tt h ep r o b l e ma 1 1 dn e c e s s 时o ft e c i l o l o g yr e f o n i lo f 仃a n s p o r t s y s t e mo fm a i ns h a f ti i ll i n gx i n gc o a l m i n i n go fn i n gx i am i n i n gg r o u p ，t h ep r e s e n t s i t u a t i o na i l dd e v e l o p m e n t 仃e n do fd r i v i n ga n dc o n t r o lo fb e l tc o n v e y o ra r ea i l a l y z e d a c o n t i i o lm e t h o d ，w h i c hp l cc o n _ t 1 1 0 l l i n gv e l o c i t ym o d u l a t e dh y d r a u l i cc o u p l e ra n dt h el 瓶r d r i v i n gb e l tc o n v e y o r ，i sp u tf o r v v a r d t h em r e em o s ti m p o r t a l l tq u e s t i o n si nt 1 1 ec o n t r o lo fb e l tc o r e y o ra r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r o n ei s t l l ea n a l y s i so ft h es o rs t a n - u pa c c e l e r a t i o na 1 1 dt h em o s ti d e a la c c e l e r 撕o n c u l e t h e nt h ep o 、e rb a l a n c eo fm u l t i m o t o rf o rb e l tc o n v e y o ri sr e s e a r c h e d t 1 1 r o u g ht h e r e s e a r c ho nr a t i o n a la 1 1 dp r a c t i c a ld i s t r i b u t e dt r a c t i o nr a t i o no fd d v i n gd i u ma i l di r l f l u e n c e f k t o r so fp o w c rb a l a n c ef o rb e l tc o r e y o r ，t l l ec o n t r o lm e a n si sp u tf o n ，a r d ：t bd e t e c tt h e c u m n t so f 捌v i n gm o t o r s ，t h e ni m p o r tt h ec u 玎e n t st op l ca l l dc o m p a r ew i t ht h er e f e r e n e e c u r r e n t ，a 1 1 dt h ed i s p e r s i o no fr e f e r e c ea 1 1 dc u l l r e n td e t e c t e dw a sr e g a r d e d 弱c o n t r o l l e dq m i 哆 t oc o n t r o lt h es t e p s e r v o m o t o b yt h i sw a y ，t 1 1 ef l u xo fh y d r o d y n 锄i cc o u p l i n gc a nb e c o n t i d l l e da r l dt h ea j mt oc o n 缸d lt h ep o w e ro fm o t o rc a nb ea c h i e v e d t h et l l i r di sp r o t e c t i v e d e v i c eo fb e hc o n v e y o r a i m i n ga tt h et h r e ep r o b l e m s ，m ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ，w i t l lg i v i n gt h e s o r - s t a na n dp o 、r b a l a n c ea j l dp r o t e c t i v ed e v i c ep l c p r o 蹦mf l o w c h a r t f o ri m p r o v i n ge o n t r 0 1 a c c u r a c yo fp o w e rb a l a n c e ，t h ed e c i s i o n - m 撕n gt a b l e i s e s t a b l i s h e d ， w i t l l f h z z ) r c o n t r o l t h e o r y t h es i m u l a t i o nm o d e l s o fs p e e d r e g u l a t i o n h y d r o d y n 锄i cc o u p l i n ga 1 1 dm o t o ra r ee s t a _ b l i s h e di nt h es i m u l a t i o nc i r c 哪s t a n c eo fm a t l a b ， c o m b i n gw i t ht h ef 比z ) rc o n t r o la l g o r i t h m ，甜1 dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mi sa l s o e s t a b l i s h e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tm ec o n t r o lm e t h o di n t r o d u c e di nt h ep 印e r c a i lu s e dt oa c h i e v e p o w e rb a l a n c eo fm u l t i 一“v ef o r b e l tc o n v e y o r f i e l do p e r a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tc o n t r o ls y s t e mp r o p o s e di nt ：h e p a p e rs a t i s f i e st h e a d v a n c e dd e m a n d sa l l df i t st op o p u l 撕z e k e y w o r d s ：b e l tc o n v e y o r s o f t s t a r t u p p o w e rb a l a n c ep r o t e c t i v ed e v i c e t he s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文i l i 加以标注和致谢的地方外，论文i | 1 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文l f i 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：4 奶)日期：力吵军6 习日 1 引言 1 1 课题背景及研究的意义 l 引言 带式输送机是以输送带作牵引和承载构件，通过承载物料的输送带的运动进行物料 输送的连续输送设备，被广泛应用在煤炭、冶金、电力、化工、矿山、港口、建材、粮 食等领域，在国民经济中发挥着重要作用。随着工业生产规模的不断扩大和技术的发展 进步，带式输送机正朝着长距离、大运量、大功率、高速度、大倾角以及多电机驱动的 方向发展，尤其在煤炭等采矿业有着极其广泛的应用前景。近十几年来，国内外对带式 输送机相关理论的试验研究取得了很大进展，带式输送机主要部件的技术性也明显提 高。但是在国内对大功率长距离带式输送机的驱动及控制技术一直受国外先进技术和设 备产品的制约而没有得到很大的发展，造成国内对大功率长距离带式输送机的驱动及控 制没有自己的核心技术而必需依靠进口，整机价格居高不下，这对我国现阶段经济的快 速增长是极其不利的。 宁夏煤业集团灵新矿位于夏灵武市磁窑堡镇灵新区，有十分丰富的煤矿资源，煤 炭储量大。灵新矿1 9 8 8 年建成投产，设计生产能力为2 4 m 以，现生产能力为3m 以， 属高产高效的国有大型煤矿，是我国煤矿自动化最具代表性的现代化矿井之一。其中带 式输送机的参数为：输送机全长1 2 0 0 m ，机头机尾落差约1 2 0 m ，输送带采用整芯p v c 强力输送带，带宽1 2 m ，输送带强度s t 2 0 0 0 ，设计带速2 5 n 1 s ，设计运输能力1 2 0 0 t i l ， 采用四台电机驱动，电机功率2 5 0 k w ，电压l o k v ，电流2 9 a 。 灵新矿主井运输系统自2 0 0 4 年改造以来，三年共发生断带6 次，纵向撕裂3 次， 直接经济损失近7 0 0 万元，间接损失达数千万元，而且带式输送机在重载时无法起动。 经过分析和现场测试，6 次断带4 次发生在起动阶段，这是因为原有系统采用等加 速度的起动方式，起动加速度过大，造成输送带张力过大，还有可能是重载起动；原有 系统未进行功率平衡控制，通过从p l c 中读取对最近一次断带事故的数据( 各台电机的 电流分别是4 2 8 5 a 、4 5 2 6 a 、2 5 2 a 、2 6 8 ) 证实，第一台和二台电机承担的负荷过大， 另外两台承担的负荷过小，即四台电机的功率出现不平衡现象。 针对上述分析，主井运输系统必须进行改造，而改造要解决的核心问题是软起动和 功率平衡。这对提高矿井的产量、提高整机自动化水平及技术含量、降低生产成本和节 约宝贵能源有着重要的现实意义。 西安科技大学工程硕士学位论文 1 2 带式输送机控制系统的现状及发展趋势 1 2 1 带式输送机控制技术现状 井下带式输送机具有线路长、运量大的特点，一方面由于驱动输送机的电机功率比 较大，电机起动时电流非常大，如果直接起动，对电机的损害是不言而喻的，同时也会 对电网造成巨大冲击，因此必须采用软起动的方式起动，但是常用的软起动装置都是按 照预定的起动曲线起动的，没有考虑到带式输送机系统惯性大、非线性、延迟严重的特 点，造成带式输送机起动过程中张力大、打滑、无法重载起动等现象。 另一方面单电机驱动很难提供所需的驱动力，所以在一般情况下都采用多电机驱动 的方式。在理想的条件下，两电机的功率分配比和驱动力分配比相同，但在实际中由于 种种因素的影响，导致各电动机实际功率分配发生较大的偏离，这不仅造成输送带各点 张力的重新分配，更重要的是使各电机功率负载不均衡，严重时会使某电机超载运行甚 至损坏，严重影响煤矿的生产。因此保持带式输送机系统的各电机的功率平衡是保证系 统安全运行的必要条件，这也是带式输送机智能控制策略必须考虑和解决的关键问题之 一。 由于鼠笼电动机具有结构简单、紧凑、造价低和工作可靠等一系列优点，并且能方 便地实现带式输送机的起动，因此，国内外最初普遍采用了鼠笼电动机与减速器直接相 连的起动方式，即电动机一减速器一驱动滚筒。这种方式虽然便于维护和使用，但是存 在可它却存在起动力矩不可控、起动电流大等缺点。另外，在输送机起动时，输送带伴 随着强烈的振动，并引起输送带打滑甚至损坏输送带、托辊，而且多滚筒驱动时很难合 理分配负载。八十年初，人们针对传统起动方式的缺点，开始研究用软起动来改善带式 输送机的起动性能。至今仍在使用的驱动设备主要包括：目前，国内外最常用的可控起动 装置有：变频调速装置；差动轮系液粘调速装置( 即c s t ) ；液力调速装置。三种可控 起动装置都具有良好的可控起动性能，都能满足输送机可控起动的要求，也都能变速运 行。但在实际应用中各种驱动方式的控制系统大多数以开环控制策略为主。使带式输送 机的控制没有达到较为满意的性能指标及精度要求，在实践中没有充分发挥作用。 ( 1 ) c s t 技术的应用 c s t 是由美国r d c h 耽ua u t o m a t i o r l 【) o d g e 公司研制开发的一种新型机电一体化 产品。它由多级齿轮减速器，湿式、线形离合器，液压系统及控制系统组成，湿式、线 形离合器由多个动片和静片交叉、叠合而成，动片组经外齿花键与行星轮系的内齿圈连 接，静片组经齿花键与固定在减速箱的轴套相连接，离合器的动作由环形液压缸操作。 平行轴式c s t 为二级齿轮减速箱，第一级是斜齿轮而第二级是行星齿轮，输入轴 与鼠笼式感应电动机连接，输出轴与负载连接，电动机起动后，多片型离合器的液压缸 2 1 引言 不加压，动、静片之间有较大的间隙。输入轴经一级齿轮减速后，带动行星轮系的太阳 轮旋转，由于动、静片之间的间隙大，动片的转动不受阻，内齿圈可自由转动，使得行 星轮只能自转，星星架和输出轴不能动，从而达到无载起动的目的，当达到额定转速稳 定运行后，通过环形液压缸向离合器的动、静片加压，使离合器结合，带动负载起动。 c s t 设计的目的是用来平滑地起动高惯性负载，通过改变加在离合器上的液压压力，来 改变c s t 的输出力矩。 对于带式输送机可以使用多台c s t ，起动负载之前驱动电机空载起动，而c s t 输 出轴并不运动，在电机达到额定转速之后，通过控制系统使每台c s t 离合器的液压力 逐渐增加来缓慢、平稳地对输送带张紧，然后输送带平稳地加速到满速。故输送带受力 平稳，输送带的安全系数取值可以相应较低。由于电机的选择是基于运动条件而不是起 动条件，因此使用c s t 时，电机的功率及尺寸可以达到最小。 ( 2 ) 液力耦合器调速 液力耦合器调速是将液力耦合器传动装置装于恒速转动的电机和负载之间，通常位 于电动机和减速器之间。靠手动、电动遥控或自动控制作导管，调节工作腔中油液充满 度来实现调速。 液力耦合器的旋转部件是功率传递的主体部件，它主要由泵轮、涡轮、输入轴、输 出轴以及密闭的外壳形成的工作腔所组成，腔体内充有工作液体维持主动输入轴和从动 输出轴的柔性连接。当泵轮从作为原动力的电动机取得能量后，腔内工作液体从泵轮叶 片获得的能量以高速冲击涡轮叶片，使涡轮连同从动轴跟随泵轮同向旋转，把工作液体 的能量转化为推动涡轮旋转的机械能，从而拖动工作机械做功，实现了泵轮与涡轮之间 的能量传递，控制工作腔内的充液量来调节工作机械的转速和传递功率，完成液力耦合 器的调速功能，其中的工作液体是循环使用的。 目前，在我国一些大型设备上已使用限矩型液力耦合器作为软起动装置，适用于一 些复杂、重要的场所。液力耦合器调速的优点是可以零电流起动，实现无级调速不会产 生冲击电流，无噪音，调节方便、平稳可靠。其缺点是由于存在转差损耗，是一种低效 调速方式。 ( 3 ) 变频调速 改变异步电动机定子端输入电压的频率，从而实现电机调速的方式称为变频调速。 变频调速具有良好的软起动性能，能实现输送机的起动要求。变频调速无附加转速损耗 的优点。但在电源变换装置中的损耗不容忽视。尤其用在高电压电机时，增加了许多设 备，增大了生产成本，而且电能损耗增加了l o 糊o ，在加上调速时电机低速运行使 总效率和功率因数均降低等因素，会使变频调速总损耗不小于2 0 。 综合比较上述几种驱动方式对于带式输送两个关键问题的解决方式，效率最高的是 c s t 装置和交流变频调速装置。但是c s t 装置对于国内的众多厂矿企业来说，该装置 3 西安科技大学工程硕士学位论文 产品价格昂贵，又由于厂矿自身技术的限制，很难对出现的故障进行较好地解决，必须 邀请专业人员进行维护和维修，这样就增加了维修费用，提高了产品的生产成本。交流 电机变频调速的驱动方式其初期投资也是很大，而且能适合矿山井下恶劣工作条件的变 频器尚未开发出来，限制了变频调速在煤矿的应用。液力调速装置的起动调速精度虽不 及其他两种，但价格低廉，只有其他两种的1 8 1 1 0 ，性价比最佳，是最理想的可控 起动装置。对于只需可控起动，无需变速运行，起动调速精度的要求也不高的场合，液 力调速装置就可满足可控起动要求。因此本文针对我国煤矿目前的生产与经济条件，结 合某煤矿的实际情况，选用鼠笼电机+ 液力耦合器+ 减速器的驱动方式。 1 2 2 目前使用的带式输送机控制系统应该解决的问题 1 、对于长距离的带式输送机，如果起动太快，张紧装置就来不及张紧，引起传动 滚筒打滑。对于上运带式输送机，如果起动加速度太大，会引起物料下滑和滚料现象， 这就需要起动加速度可控，通常起动加速度限定在0 3 州s 2 范围内。另外，从国内外研 究来看，采用s 型曲线起动带式输送机，能最好地减小输送带的动张力。 2 、如果电机与传动滚筒直接采用刚性传动，会引起空载起动时加速度大，引起过 大的电气和机械冲击，而满载起动时会发生闷车现象。为避免这些现象，要求驱动系统 能提供可调的、平滑的、无冲击的起动转矩、减小动应力、改善整机的起动性能，即要 求实现软起动。 3 、多机驱动方式中，由于每个驱动单元电机外特性的差异、设备的制造和安装误 差、负载变化等因素的影响，会造成电机负载不均衡，以致偏载烧毁电机等事故，所以 要求各驱动单元能做到合理地分配驱动功率，即实现功率平衡。 4 、当系统发生堵转、过载等事故时，电机将可能发生闷车过热而烧坏。所以要求 驱动系统能及时与负载隔离，即实现过载保护功能。 5 、为检查输送带的接头或输送带磨损情况，要求输送机能在低速下持续运行。 1 2 3 带式输送机控制系统技术发展趋势 国内外对带式输送机的研究和设计主要围绕以下几个方面开展工作：带式输送机动 态特性的研究；技术性和经济性良好的可控起动驱动装置；可控制动停车装置；装备技 术先进、性能可靠具有监控、监测、自诊断功能的控制器。 带式输送机控制系统技术发展趋势是引入基于动态分析的反馈控制，进行智能动态 控制系统的开发。目前对带式输送机控制，只是通过固定的程序控制起动和停车，控制 程序不能随实际的工作状况变化而变化。大多数起动控制为速度控制和转矩控制，空载 和满载时没有什么不同，尽管功率和输送带的张力有很大的变化。因此，如果设计控制 系统要适合全部的工作状况，就必须引入反馈控制对带式输送机的工作状态转速、张力 4 1 引言 等进行监测，检测结果反馈给驱动装置来调节驱动输送机的转速、转矩。例如，要实现 输送带的承载和控制状态，不但负载和控制状态可以被识别，优化控制程序可以通过动 态仿真来确定，采用传感器采集输送机的信息，如输送带、张紧系统、驱动系统等，来 保持动态计算的参数的实时更新。这样的结果一方面将输送机的部件的安全系数降低， 同时整个输送机系统的安全性和可靠性将大大提高。 1 3 本课题主要研究内容 本课题以宁夏煤业集团灵新矿长距离输送机项目为例进行大功率长距离带式输送 机的控制方法研究。 主要工作有： 1 、带式输送机起动过程的分析和选择最佳起动曲线； 2 、功率平衡控制理论和实现方法的分析； 3 、模糊控制理论在带式输送机中的应用； 4 、控制系统软、硬件设计； 5 、仿真及实施。 1 4 本章小结 本章论述了课题研究的背景来源和课题研究的目的和意义，分析了长距离、大功率、 大运量、大倾角、高带速带式输送机的国内外应用现状及技术发展趋势以及有待解决的 问题，结合宁夏煤业集团灵新矿实际情况，讲述了本论文将要进行的工作和要解决的问 题，并对要解决的问题进行了分析，给出了解决方案。 5 西安科技大学工程硕士学位论文 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 2 1 带式输送机起动特性 带式输送机是一个复杂的机电系统，它是由闭坏的承载输送带和托辊及驱动装置、 拉紧装置、改向滚筒及其机架构成的系统。输送带运行的驱动力由驱动装置提供，拉紧 装置提供给系统必要的拉紧力，改向滚筒给输送带导向，托辊的作用是支撑输送带及其 上面的物料并减小输送带的挠度。当驱动装置开始起动后，通过滚筒与输送带的磨擦作 用，将驱动力传递给输送带，输送带的运动需要克服各种运行阻力，而且输送带为粘弹 性体，尽管在起动过程中可以控制驱动装置的起动速度( 加速度) ，但并不能将运动直接 传递到整个输送带上，而是在输送带的粘弹性性质和阻力作用下，逐渐地将驱动力和速 度传播到整个输送带上。因此大型带式输送机必须有足够的起动时间，使起动加速度保 持在允许范围内。运距越长、带速越高、输送量越大，起动时间就需越长，否则，输送 带初张力会下降，最大可下降5 0 左右，就会丧失输送带与传动滚筒保持f 常传动所需 的张力比，造成输送带在传动滚筒上打滑而不能起动。 根据文献 3 】的理论，当起动时间7 1 6 巧( 五= 2 万q ) ) 时，输送带的加速度响应基本 上取决于驱动装置的加速度，因此，为了有效地限制或消除带式输送机在加速或减速时 的弹性振动，本设计过程中起动加速和制动减速的时间取丁1 0 五( 石= 2 万q ) 。 2 1 1 加速度控制曲线的选取 理想的可控起动速度曲线，应是带式输送机平稳起动，且整个起动过程中加速度的 最大值较小，速度输出平稳，无速度突变，以最大限度地减小起动的惯性力和起动冲击 作用。据相关资料与实验室试验表明，用“s ”形曲线可以达到良好的效果。以同样的时 间起动电机( 软起动) ，“s ”形曲线比直线平稳得多，振动、噪声亦小。液力耦合器传动装 置是按照控制器给定的速度与加速度曲线，控制工作腔内的充油量的大小，使输送机的 速度曲线变成平滑的“s ”形来减小带式输送机的起动冲击。如何选择合理的加速度控制 曲线，使得带式输送机的加速度响应值和起动冲击达到最小，本文对等加速度形曲线、 三角形加速度曲线、正弦形加速度曲线、抛物线形加速度曲线作了比较。其中丁为起动 加速时间，k 额定带速。 等加速度曲线 等加速度起动过程的加速度计算公式为： 口( f ) = 丁 ( 2 1 ) 6 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 等加速度形控制曲线的最大值为= 丁，其曲线如图2 1 所示。 q nq r o t 图2 1 等加速度控制曲线 ( 2 ) 三角形加速度控制曲线 带式输送机的三角形加速度计算公式为： 口o ) = 缂f 。，：2+ ( 2 2 ) 等 ，一爿 u 。 其中加速度曲线又称n o r d e l l 加速度曲线，最大值是= 2 丁，其曲线如图2 2 所示。 q 斟n r o t 2 t t 图2 2 三角形加速度控制曲线 ( 3 ) 正弦形加速度控制曲线 带式输送机的三角形加速度和速度计算公式为： 口( f ) ：毕s i n 孕 ( 2 3 ) 带式输送机的正弦形加速度曲线又称h 删s o n 加速度控制曲线，最大值 = 万2 丁= 1 5 7 丁，如图2 3 所示。 7 西安科技大学工程硕士学位论文 q 1 5 7 v o t o t 2 t 图2 3 正弦形加速度控制曲线 ( 4 ) 抛物线形加速度控制曲线 带式输送机的抛物线形加速度和速度计算公式为： ，= 半c 芋一等 带式输送机的抛物线形加速度控制曲线的最大值= 1 5 丁，如图2 4 所示。 q 1 5 v 以 o t 2 t t ( 2 4 ) 图2 4 抛物线形加速度控制曲线 比较上述的加速度控制曲线可知等加速度控制曲线最小；抛物线和正弦加速度 控制曲线的口。居中；三角形加速度控制曲线的口。最大。 输送机起动时，输送带的粘弹性性质和阻力作用下，逐渐地将驱动力和速度传播到 整个输送带上，为了避免张力过大，带式输送机必须满足缓慢起动的要求，同时最大加 速度尽可能的小。 从上面的分析可以看出正弦形加速度控制曲线是液力耦合器驱动装置的最佳加速 度控制曲线。因此将原有系统的起动加速度从按等加速度起动改为按正弦形加速度起 动。 8 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 2 1 2 驱动控制特性分析 灵新煤矿井下带式输送机采用双滚筒拖动，每个滚筒由双电机驱动，结构示意图如 图2 5 。 图2 5 双滚筒驱动带式输送机线路不恿图 由图2 5 可见，输送机的驱动装置足由电机、液力耦合器和减速机构成的。带式输 送机的控制类型属于速度控制，以驱动电机为控制对象，控制目标是输送机的带速和各 电机的电流。控制系统的执行机构是液力耦合器，通过其勺杆的开度，实现控制的目的。 凶此，液力耦合器是整个控制环节中很重要的一部分。 2 1 - 3 液力耦合器特性分析 液力耦合器是一种应用很广的通用传动设备。它置于动力机和工作机之间，传递两 者的动力。其作用和联轴器相似，但实质不一样。在改善起动性能、过载保护、无级变 速、对载荷有自适应性等方面，液力耦合器的特性是联轴器所没有的。 典型的液力耦合器由对称布置的泵轮、握力以及外壳、主轴等构件组成。输入轴 ( 与泵轮固定连接) 与输出轴( 与涡轮固定连接) 分别与电机和滚筒相连接。当电机拖 动液力耦合器运转时，存在于液力耦合器腔体内的工作液体，受泵轮带动，既随泵轮做 圆周运动( 牵连) 运动，又对泵轮做相对运动。泵轮从电吸收机械能( 力矩m 和转速n ) 并转化成液体能。在工作过程中，腔体内的工作液体对涡轮叶片的冲击释放的液体能推 动涡轮( 及滚筒) 旋转做功( 涡轮将液体能转化为机械能) 。当液体的液体能释放减少 后，由涡轮流出而进入泵轮，再开始下一个能量转化的循环流动，如此不断循环。在液 力耦合器运转的能量转化过程中，不可避免的伴随着能量损耗，使涡轮转速低于泵轮 9 西安科技大学工程硕士学位论文 转速，形成液力耦合器运转中必须存在的转速差( 一) 。液力耦合器传递力矩( 或 功率) 的能力与泵轮转速和泵轮、涡轮问的转速差( 或转速比) 大小有关，同时也与工 作腔的充液悬有关。在相同情况下，工作腔充液量越大，其传递力矩( 或转速) 的能力 越大；反之亦然。因而调节工作腔罩的充液量，就可以改变其输出力矩和转速( 或功率) 。 从这一特性出发，采取不同的结构措施，即可构成不同类型的液力耦合器。例如：设置 辅助腔( 用束调节工作腔充液量的空腔) ，在液力耦合器过载时靠液流的静压或动压减 少工作腔充液量，限制输出力矩的提高，从而构成限矩型液力耦合器。在工作腔以外设 置导管( 亦称勺杆) 和导管腔，依靠调节装置改变导管开度( 导管顶端与旋转外壳间距 的百分率) 来人为地改变工作腔中的充液量，从而实现对输出转速的调：节，按此原理构 成调速型液力耦合器。 2 1 4 带式输送机软起动的实现 带式输送机的起动角加速度可按下式计算： g = ，( m m 。) ，( 2 5 ) 式中： - 输送机的起动角加速度； 卜充油量； j - 输送机的总转动惯黾；m 为液力耦合器的输入力矩； m 卜输送机的总阻力矩。 由带式输送机的起动角加速度公式可以看出：通过调节泵轮间工作腔的充液量大小 即可调节耦合器的输出力矩。对特定的带式输送机，其负载确定，j 和m e 均为定值，可通过 控制i ( 充油量) ，改变m ( 液力耦合器的输入力矩) ，从而调节( 输送机的起动角加速度) 。工 作腔内充油量i 的大小是通过调整导管( 也称勺杆) 在工作腔内的位置来调节。 在带式输送机起动前，先将导管插到工作腔的最外端，保证起动时工作腔不充油，电机 在“空载”下迅速起动。这样，降低了起动电流的持续时f n j 、减少了对电网的冲击电流；待 电机“空载”起动完毕后，通过电控装置控制调速型液力耦合器的导管伺服机构，操纵导管 在液力耦合器工作腔内的位置，调节工作腔体内的充油量i ，改变液力耦合器的输入力矩 m 的大小，不断调整起动角加速度，即改变调速型液力耦合器的外特性曲线，使电动机与调 速型液力耦合器的共同作用特性曲线相应变软，逐渐增加电动机的载荷，自动调节电动机 的负荷分配，使之趋于平衡，最后将工作腔油量充满，负载到达额定速度运行，实现带式输 送机的负载软起动的要求。 2 2 带式输送机多电机功率平衡分析 灵新煤矿采用多台鼠笼电机与液力耦合器连接的驱动方式，这种方式用几个较小的 1 0 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 的驱动单元之和，来满足总功率的要求，有利于设备的小型化、通用化和降低成本，便 于安装、搬运、维修等；而且由于围包角大，可使输送带最大张力减小。但这种方式， 由于几个驱动单元外特性的差异、设备制造、安装误差、载荷的变化、各驱动滚筒输送 带受力大小不同等，会造成电机负载的功率失衡，效率不利于提高；同时，若偏载严重， 也将会烧坏电机等其他事故发生。因此，多电机驱动时功率平衡的控制是非常必要的。 所谓功率平衡是指输送机在运转中，各电机之间输出的功率和牵引力之比应与相应的设 计比保持基本相等。为了简化问题，在软起动过程中，不考虑功率平衡，待起动完毕， 进入工况时，再投入功率平衡。 2 2 1 驱动滚筒牵引力的理想分配 带式输送机所需要的牵引力是通过传动滚筒与输送带的磨擦而产生的，当电动机经 减速器带动传动滚筒转动时，输送带在与滚筒相遇点的张力大于分离点的张力，张力之 差为滚筒所传递的牵引力f 。本文以头部双滚筒驱动来研究带式输送机的受力分析，如 图2 6 所示。 f 图2 6 头部双滚筒驱动的系统的受力分析图 考虑驱动滚筒的磨擦驱动能力，每个滚筒所能传递的最大牵引力为： 1 互= 石，一互z2 五z ( p 岫一1 ) 2 轴一 1 e = 互- 一正z2 互z ( p 脚一1 ) = - ( 1 一方) 式中：一滚筒与输送带之间的磨擦因数； q 一滚筒1 的围包角； 吃一滚筒2 的围包角。 则两滚筒的牵引力的理想分配比为： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 西安科技大学工程硕士学位论文 忙老2 筹2 舄 亿8 ， ，z 一鲫一去) ( 1 一去) u 0 这种分配主要是根据磨擦条件来考虑的。磨擦条件仅仅决定两滚筒能否承担所分配 到的牵引力。在设计中，总是使牵引力的分配与各滚筒的磨擦条件一致，即将理想分配 比取整，通常足1 或2 ，这样有利于满足设备的通用性。 2 2 2 双滚筒驱动牵引力的实际分配 双滚筒驱动带式输送机正常运行的特征是任一滚筒和输送带之间没有相对滑移，即 输送带和传动滚筒至少有一点两者的速度相等。根据此条件可以求出两滚筒提供的牵引 力的实际分配比。 1 、输送带任意两点问的速比 ：! 垒二鱼生! ) 二生垒生! 1 1 一乇+ 1 ) 略去较小的两项乇+ 1 ) 和0 & 川) ，则有 意卅+ 。一- ) 将输送带应变和张力的关系为f 2 壹代入上式： 土：1 一盟 k 川) e 式中： _ ，一输送带中轴线上任一点的编号； + 1 一沿输送带运行方向，继点之后，后续点的编号； 一通过_ ，点的带速，m s ； k ，+ 1 ) 一通过+ 1 点的带速，所s ； ，一f 时问内通过点的输送带长度，朋； 气川) 一f 时间内通过+ l 点的输送带长度，肌； 1 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 卷堕 ，一0捌土 巧瓦 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 ，0 一，段输送带的自然长度，所； 一输送带的拉伸应变； t 一输送带点的张力，； 夏，+ 1 ) 一输送带，+ 1 点的张力，； e 一输送带的刚度，。 式( 2 1 1 ) 为输送带的任意两点速度与张力的关系公式，即运行中输送带的张力不同， 其速度也不同。由于歹点和，+ 1 点的选取是任意的，那么在电机处于电动状态下，可取 为输送带与两个滚筒的相遇点，则： 暑小孕斗学小争化 仁蚴 v 、 e ee v 式中： 占一输送带的弹性伸长率。 由上式可以看出两滚筒相遇点的输送带速度与第一滚筒的牵引力和输送带的拉伸 刚度有关。 2 、驱动滚筒间的速度关系 滚筒的速度是指滚筒的圆周的切线速度，在正常情况下，它与输送带在相遇点的速 度是相等的。在以电机、液力耦合器和减速器作为驱动单元对滚筒进行驱动时，滚筒的 角速度为： 哆2 乞弛= 哿= 乞o 象( 1 一蜀】 ( 2 1 3 ) 从而滚筒的速度为： y = q 尺2 乞o 蠹们一髟】 ( 2 “) 式中： 尺驱动滚筒的半径，m5 q 驱动滚筒的角速度，阳d 所。 伤一电机的角速度，删肌； 屯减速器的传动比，即输出轴的转速与输入轴转速之比； 一液力耦合器的传动比，即输出轴的转速与输入轴转速之比； 一电机的同步转速； 岛一电机的转差率。 通常情况下，考虑到设备的通用性，带式输送机系统中电机和减速器型号选择一致， 即电机的同步转速相同，减速器的传动比也相同，则两滚筒的速比为： 1 3 西安科技大学工程硕士学位论文 旦：丛里上墅：叠里g 二墨! 丛! 墨2 2 砭 zr1 一岛z：是( 1 一岛z ) ( 1 + & z ) ：丛里! 二曼! 曼2 二墨! 曼2 f 。2rl 一彰2( 2 1 5 ) 由于& 。和岛：的值很小，所以上式可以将& 。岛：和霹：忽略不计，则上式变为： 吾：孚( 1 喝+ 蚴 ( 2 1 6 ) 吃f ，2 心、 “7p 7 由于异步电机在正常工作点附近的机械特性曲线是近似线性的，故有： 卺= 急 仁 m dm 匏 一。 式中： 鸩一电机的输出转矩； 吮一电机的额定转矩。 因为每个滚筒均为双电机驱动，可将两台电机视为一台电机处理，总的额定转矩为 两台电机额定转矩之和，即吮= 吮。+ 吮：，在此情况下，上式中的& 可由下式得到： 耻! j ( 2 1 8 ) s 烈s 匏2 式中： 。一同一驱动滚筒装置中第一驱动单元的电机的额定转差率； ：一同一驱动滚筒装置中第二驱动单元的电机的额定转差率； 在设计和实际应用中，当一个滚筒由两台电机驱动时，此时选用的电机的同步转速 和额定转差率必须相同或可调至相同，故有： 既= l = 2( 2 1 9 ) 当电机工作在电动状态时， f ，：盟灯( 2 2 0 ) l | 。 由上式可得 心= 尺f = 万灯 ( 2 2 1 ) 仉 、7 根据式( 2 1 6 ) 和式( 2 2 1 ) 可得： 1 4 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 = 等肚胛 ( 2 2 2 ) 在式( 2 2 0 ) 至式( 2 2 2 ) 中： 仉诫速器与驱动滚筒的总效率； 万一驱动装置机械常数，当电机工作在电动状态时，万2 丢，当电机工作在发电状 态时，艿：三； 砚 f 一滚筒牵引国，n ； 彳一驱动装置常数，彳= 号警，与电机的机械特性、驱动装置的效率、减速器特 性和驱动滚筒的半径等有关。 根据式( 2 1 6 ) 和式( 2 2 2 ) 可得两驱动滚筒间速度与牵引力的关系公式为： 导：孚( 1 4 互+ 4 e ) ( 2 2 3 ) 圪f ，2 坞、 一 7r 7 当电机工作在电动状态时，两驱动滚筒与输送带在相遇点的速度是相等的，则由式 ( 2 12 ) 和式( 2 2 3 ) 可得 兽扣堋+ 绷小鲁 亿2 4 ， 进行整理得： c 去一惫善4 ，互+ 乏差4 互4 一乏差 c 2 2 s ， 根据逐点计算方法，可以得出总牵引力与总阻力的关系： 职= e + e = ( 2 2 6 ) 根据式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) 可以求出两驱动滚筒牵引力的分配比： ，一( 1 + 绷麓一 卜善一c 去一乏笔4 ， 由式( 2 2 7 ) 可以看出，影响牵引力分配比的因素如下： ( 1 ) 驱动装置常数，与电机的机械特性、驱动装置的效率、 筒的半径等有关； ( 2 ) 总阻力； ( 3 ) 输送带的拉伸刚度； 1 5 ( 2 2 7 ) 减速器特性和驱动滚 西安科技大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 驱动滚筒的半径，驱动滚筒的半径存在误差，主要是因为制造、安装、使用 的过程中的种种原因，造成实际半径和理论半径之间有偏差； ( 5 ) 液力耦合器的传动比。 对于具体的带式输送机，当多滚筒多机驱动时，各个驱动单元的驱动装置虽然选用 相同设备，但由于制造和安装等因素可能造成该参数值不同，导致驱动滚筒的理论牵引 力与实际工作时有所不同，影响了驱动滚筒间的牵引力配比。当电动机工作在电动状态 时，通过对驱动滚筒牵引力配比的公式分析，可以看出通过对液力耦合器的调节，能够 达到对驱动滚筒牵引力进行调节的目的，使牵引力的配比尽可能地向理想的牵引力分配 靠拢。 2 2 3 功率平衡的原理 由电机学中电机的功率在额定负载点运行时，电动机功率数近似相等；且对同 一电网，电机端电压相等，所以电动机定子电流的大小就反映了其输出牵引力的大小。 如果使每台电机的负荷电流相等，即实现了电机的功率平衡( 或负载平衡) 。由式( 2 3 6 ) 知，当功率不平衡时，通过调整四台调速型液力耦合器的传动比，实现对滚筒传动力的 调节，从而达到功率平衡的目的。 2 2 4 功率平衡的实现方法 功率平衡控制与软起动控制回路相比较，差别是带速传感器换成了电流传感器。在 设计中，使用了k v - v t 系列电流传感器，该传感器把交流电流的大小转换成与其成比 例的电压信号，供给p l c 的a d 模块使用。其检测回路如图2 7 所示。 其技术特性 输出：0 + 4 v u u ， v | 1 5 v o l+ 士一 八 hl i 卜 o t v j 叫il 卜o 图2 7 检测同路 1 6 2 带式输送机软起动特性与功率平衡分析 线性度：1 电源电压：士1 5 v 绝缘性能：2 5 k v a 在软件设计中主要考虑以下原则： 以调速型液力耦合器的勺杆的最大位置处电机电流为基准，其他电机电流向其靠 拢。检测电流是否在其允许范围内，不是则进行调节。 电动机的工作电流小于额定电流( 在设定范围内) 可以不调节。 每次调节均从勺杆全部拉出时( 效率最大的基础上) 开始进行； 允许拖动系统各电机功率不平衡度在5 一1 0 范围内。 2 2 5 控制方法的选择 带式输送机采用的是调速型液力耦合器，由上述分析可以得出，调速型液力耦合器 组成的驱动系统主要是把液力耦合器的勺杆作为控制过程的执行机构，通过调整勺杆的 开度，控制耦合器工作腔的充液量，从而调整液力耦合器的传递力矩，实现电机的软起 动和功率平衡。 在现实生产中，由于电机的出力和速度是一个时间惯性坏节，特别是液力耦合器调 速系统是一个大滞后、非线性环节：在这个环节中要建立起比较精确的数学模型，需要 考虑很多因素( 如油量、摩擦力) ，难以得到准确的数学模型。在没有一个精确的数学 模型的前提下，如果使用p i d 调节，往往很难达到控制要求。在本系统中，对速度的调 节精度要求不高，若采用模糊控制方法则能达到较为理想的功率平衡控制效果，满足速 度调节的要求。 带式输送机为多机驱动，实际控制对象有四台电机，显然这种情况属于多输入多输 出。为了能找到合适的控制方法，从理论和实际的角度列出了几种方案进行比较，各方 法如下： 方法一：采用简化模糊控制算法，取某一时刻四台电机电流的平均值为给定值，将 各台电机电流与之比较。大了就向下调勺杆，小了就向上调。 方法二：采用标准的模糊控制器，输入为输送机速度及四台电机的电流误差和误差 变化率，输出为四台液力耦合器的勺杆动作，即五输出四输入的多维控制器。 方法三：采用先分组再控制的方法，即将四台电机按照各自的