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煤矿皮带运输装置变频调速节能控制器设计与实现

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 158次


李坤1,2    王振2      倪云峰2

1黄陵矿业煤矸石发电有限公司,陕西 黄陵 727300

2西安科技大学通信与信息工程学院,陕西 西安 710054

摘要:本文针对传统的煤矿皮带运输系统中的皮带运输机多采用工频拖动、液压耦合传动从而导致的电能消耗大、维修成本高等问题,对煤矿皮带运输机的工作原理以及运输机制运行状况进行了分析,提出一种基于模糊理论的变频调速节能控制策略。该策略充分考虑了变频调速的输入量的选取问题,采用均方根思想建立传感器数据采集整定及模糊化设计,在此基础上通过Simulink仿真平台建立了模型,仿真并通过实际煤矿皮带机进行实验测试。实验结果表明这种基于模糊理论的变频调速节能控制方案有效的降低了开采运输过程中电能消耗,实现了节能控制的功能,具有一定的可行性和有效性。

关键字:皮带运输系统;模糊理论;变频调速;Simulink仿真

中图分类号: 

Design and Implementation of frequency conversion speed regulation and energy saving controller on coal mine belt conveying device 

LI Kun1,2  WANG Zhen2

1 Huangling Mining(Group) Co.,Ltd,Huangling 727300,China

2 School of Communication and Information Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China

Abstract:In traditional coal mine belt conveying system, most belt conveyor adopt power frequency drag and hydraulic coupling transmission, leading to large power consumption and high maintenance cost. Aiming at these problems, based on analysis of work principles of coal mine belt conveyor and transport mechanism, a frequency conversion, speed regulation and energy saving controlling strategy based on fuzzy theory is proposed in this paper. The strategy fully considers the selection of input variables of frequency conversion and speed regulation and adopts root mean square to establish sensor data acquisition turning and fuzzy design. A model is established through Simulink platform. Experiment test and simulation is conducted through real coal mine belt conveyor. Experiment result shows that the frequency conversion, speed regulation and energy saving controlling strategy based on fuzzy theory reduces power consumption during mining and transportation effectively,realize energy saving and has feasibility and effectiveness.

Keywords:belt conveying system; fuzzy theory; frequency conversion speed regulation; Simulink simulation

0 引 言

皮带运输机,是运用皮带的无极运动运输物料的机械。通过电动机的旋转带动减速机转动,之后与皮带滚筒机械相连为皮带运输机动作提供动力来源[1]。矿用皮带机是煤矿企业重要的生产设备之一,它肩负着煤矿生产的主要运输任务的同时也是电能消耗的主要来源[2-4]。因此,通过搭建变频调速控制器对降低电能消耗以及提高煤矿生产、运输环节的稳定运行是有意义的。

目前皮带运输机采用工频拖动,液压耦合传动的方式进行工作,其工作方式所带来的弊端是开采过程中资源损耗大、器件体积大、自动化水平较低,维修成本高,不能适应煤矿运输系统向低耗能、高效率方向发展的要求[5]。针对这种情况,本文提出了基于模糊理论的变频调速节能控制方案,通过对变频调速原理的分析,详细描述了传感器数据提取与整合,在Simulink仿真平台上搭建变频器与电动机模型,实验及仿真结果表明,基于模糊理论的变频调速节能控制策略,在输入变量不断变化过程中,皮带运输速率进行实时调整,具有一定的适应性及鲁棒性。

此外,本文还在仿真结果的基础上进行实物实验测试,通过实验测试对各个参数的测量,实现了节能控制的功能。

1基于模糊理论胶带运输机变频调速分析

1.1 调速理论基础

变频胶带运输系统是通过检测当前胶带运输装置上煤料的重量,通过模糊化输入变量,采用变频器调节异步电动机的转速,从而改变胶带运输的速度,使胶带运输装置运行的速度随载煤量的多少进行改变,达到节能的效果。胶带运输装置变频的实质是异步电动机的变频调速,而异步电动机的变频调速是通过改变定子供电的频率来改变同步转速,从而实现调速的功能。

异步电机的转速为:

                                                  1

其中,为电机同步转速,为电机转子转速,为电源的频率,为电机的极对数,异步电动机转差率[6]

当电机的极对数不变,电源的频率与电机的转子转速成线性关系,因此通过调节电源的频率则可以调节出转子的转速。

皮带运输装置的驱动功率为,其计算的公式为:

                                                             2

其中,为圆周的驱动力;为胶带运输装置的最大运行速度(m/s

将上式化简可得:

                                         3

由于所涉及的参数较多,故以表格的形式给出,如表所示:

1 驱动功率参数表

Driving power parameter

符号

表示的含义

单位

k1LnV

胶带机的输送带及托辊转动部分运转功率

kw

k1LnQ

物料水平运输功率

kw

0.00273QH

物料垂直提升功率

kw

Ln

胶带机的水平投影长度

m

H

胶带机的卸料点与装料点的高度差

m

k1

空载运行功率系数,其与胶带机带宽度成正比,取0.0061-0.051

/

k2

物料水平运行功率系数,其与物料水平运行功率系数成正比,取4.91×10-5-10.89×10-5

/

k3

附加功率系数,其与胶带机带水平投影长度Ln成正比,取1.1-2.8

/

Q

胶带机的每小时运输能力

t/h

将胶带运输装置的驱动功率公式变换可得:

                                                              4

由上式可知,速度越小,其驱动的功率越小。实际中通过转速的改变反映到胶带运输装置上为胶带运行的速度,使胶带运输机在满足实际运输需求的情况下以最低的速度运行,使驱动的功率也相应的得到最小值,从而实现最大化节能效果。

1.2 数据的采集及模糊化设计

根据实际情况分析,传输带在载煤运输过程中,煤料的本身块状的大小以及外界环境杂物的影响,导致重力传感器采集到的输入参数波动较大,不利于控制器控制,为了使系统更稳定的进行运作,本文采用输入量模糊化进行设计。针对煤料输送量为3000t/h;胶带运输机的带速为4m/s;传输距离为2748m;传输带带宽为1.6m,本文采用4个电子皮带秤进行数据采集,其中电子皮带秤采集周期为0.2s,其安装位置俯视图如图3.2所示。

1皮带秤安装俯视图

overhead view of belt scales installment

其中,1,2,3,4号分别为四个电子皮带秤,5为胶带运输装置中的胶带。

电子皮带秤1号与电子皮带秤2号安装位置的距离为20CM1号采集传感器与2号采集传感器采集间隔0.05S,从而确保每次1号与2号采集为同一点,3号与4号同理。假设电子皮带秤1时刻测量到胶带上承载的煤料的瞬时重量为,电子皮带秤2号在(+0.05)s时刻测的胶带上承载的煤料的瞬时重量为,为了得到准确的称量参数,采用算术平均数进行数据整合处理。

                                                                5

洒落在胶带的上煤料还可能出现左右堆积不均匀情况,为了避免纵向煤料堆积不均匀出现数据偏差,本文采用对称排布电子皮带秤,如图3.2中电子皮带秤1号与电子皮带秤3号的物理位置所示。

同理获取皮带秤3时刻测量到胶带上承载的煤料的瞬时重量为,电子皮带秤4号在(+0.05)s时刻测的胶带上承载的煤料的瞬时重量为,则采用算术平均数进行数据整合处理。

                                                                6

采用均方根平均值算法进行时刻的煤料流量数据的整定。

                                                             7

传感器采集得到的数据曲线毛刺繁多,数据曲线不平滑,为了使数据平滑,减少输入到变频器内的电压值波动,本文采用模糊理论基础,对重力参数进行模糊语言描述,但是由于总系统输入变量仅仅只有重力变量,设重力的论域为X,并将量化为3个等级,分别表示为{0,5,10}

1.3 PID控制原理

PID控制器是一种线性控制器,这种控制器是将设定值与输出值进行比较构成偏差:

                                                           8)

常规PID的控制算式为:

                                       9)

式中,为控制输出变量,为比例系数,为积分时间系数,微分时间常数[7,8,9]

2 皮带运输装置变频调速整体建模

皮带运输装置整体建模过程中将输入的参数进行模糊化处理后,经PID调节器调节,限幅器限幅提高系统的动态性能,其幅值的大小由变频器的最大输出值决定,当实际变频器的输入电压越过所设阈值,变频器的输出将以最大值恒定输出。变频器根据输入的参数调整输出频率的变化,通过频率的改变是三相异步电动机转速发生对应的变化,从而形成一个闭环控制系统,如图2所示。

 

2 变频调速整体建模仿真图

overall modeling simulation of frequency conversion speed regulation

2.1 三相异步电动机建模

根据电机学原理,感应电动机的电磁转矩为:

                        11

其中为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感,即励磁电感;为电动机定子相电压和供电角频率;为转差率[10];通过MATLAB/SIMULINK仿真平台建立三相异步电动机等效模型如图3所示。

 

3三相异步电动机仿真模型

Simulation model of three phase asynchronous motor

其中仿真模型中

2.2 变频器建模

变频器的数学模型是通过积分环节与比例环节进行搭建[11,12],其MATLAB/SIMULINK仿真模型如图所示,其中为输入量的放大系数,t为时间常数,为变频器输出最大输出频率;为限幅器的限值),本文采用以及减速时间为系统最优参数,建模仿真图如图4所示。

 

4 变频器仿真模型

Simulation model of frequency converter

3 实验与分析

通过建立变频器与异步电动机的MATLAB/SIMULINK仿真模型,采用PID控制方式进行控制,利用变频器进行变频调速,经过多次重复测试确定4.50.001350.01。经模糊后的输入量为幅值不同的矩形波,其仿真时间为60s,如图5a)为输入量为幅值不定的矩形波,(b)为仿真结果图。

 

a)幅值不定的矩形波

Rectangular wave with uncertain amplitude

 

b)仿真结果图

imulation results

5输入为不规则矩形波时系统仿真图

System simulation with input of irregular rectangular wave

通过对仿真结果的分析,随着输入量的不同,其仿真结果图中对应的转速也不同,最大达到额定转速,实现了变频调速的功能,基本实现节能的功能。为了测试本文所提出的节能策略的效果,采用本煤矿现有胶带运输装置进行现场测试,其中所测试的胶带运输机参数,如表所示。

2胶带运输机参数

Parameters of belt conveyor

名称

功率

驱动方式

长度

速度

带宽

运量

1#胶带机

350kW

直驱

1000

2.4m/s

1.2m

1500t/h

2#胶带机

350KW

变频

2000

2.4m/s

1.2m

1500t/h

通过测量2#胶带运输装置空载时的电气参数,验证本文提出的控制策略与传统策略在节能方面的效果。通过测试数据就两方面进行分析,第一,通过载煤量调整胶带运输机速度方面;第二,通过同一载煤量不同运行速度,所需耗电量方面。其测试实验分为3个分别为:

1)首先启动1#胶带机,使1#胶带运输机达到最高速度;然后启动2#胶带机以及电子皮带秤。由于工作面没有进行采煤工作,故使得胶带机处于空载运行,电子秤所采集到的数据都是零,故通过处理器给出运行速度对应参量,输出给2#胶带机的变频器,从而控制2#胶带机以最低运行速度运行,经过30分钟时间运行,测的表中对应参数。

2)当工作面工作,电子皮带秤测量得到胶带运输机运输能力为250t/h时,其处理器给出运行速度对应参量,输出给2#胶带机的变频器,从而控制2#胶带机以一定速度运行,经过30分钟时间运行,测的表中对应参数。

3)将2#胶带机运输量为250t/h时,手动调整使处理器给出运行速度占胶带运输机最大运行速度的百分比(即100%,经过30分钟时间运行,测的表中对应参数。

3 运行参数测量值

measured value of operating parameters

2#胶带机运载量

运行时间

运行速度百分比

平均电流

电机电压

平均功率

耗电量(千瓦每半小时)

空载

30min

20%

82.5A

197V

39KW

21.5

载煤量250t/h

30min

34%

94.3A

292V

81.2KW

44.7

载煤量250t/h

30min

100%

174.3A

658V

152.5.2KW

77.8

通过实验1与实验2所测得的数据可知,当2#胶带机空载时,运行时间为30min,电机电压为197V,平均功率为39kW,处理器所调节的运行速度占胶带运输机最大运行速度的20%。当2#胶带机载煤量250t/h时,运行时间为30min,电机电压为292V,平均功率为81.2kW,处理器所调节的运行速度占胶带运输机最大运行速度的34%。实现了本文提出的以载煤量为输入参量,通过控制算法从而调整胶带运输装置的运行速度的方案。

通过实验2与实验3所测得的数据可知,当2#胶带机载煤量为250t/h时,运行时间为30min,运行速度百分比为34%时,其耗电量为89.4kW/h;当其他条件不变的情况下,运行速度百分比调整为100%时,其耗电量为155.6kW/h。对比两个实验的耗电量,可知每小时节省电量为66.2kW,节电效果为42.5%,实现节能功能。

4 结论

本文在分析了传统皮带运输机采用工频拖动,液压耦合传动策略的基础上,仿真并实现了基于模糊理论的变频调速节能控制策略。详细描述了传感器数据提取与整合,并通过Simulink动态仿真软件搭建变频调速模型,验证变频调速策略在皮带运输机中的可行性。实验结果表明这种基于模糊理论的变频调速节能控制方案在输入变量不断变化过程中,变频调速具有一定的适应性以及稳定性,并且通过实物实验测试每小时节省电量为66.2kW,节电效果为42.5%,实现了节能控制的功能。

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作者简介:

    李坤 男 (1991--)陕西韩城人,2012年毕业于西安交通大学城市学院电气工程及其自动化专业,助理工程师,在职硕士研究生,从事机电运输管理工作

    王振(1991- ),男,陕西咸阳人,硕士研究生,主要研究方向为电子与通信工程

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