摘要：带式输送机作为运输综采工作面中煤炭、矸石等物料到地面的关键设备，其运行的稳定性和可靠性直接决定整个综采工作面的开采效率。此外，为了满足长距离、大运量等不同的运输条件的输送要求，“绿色生产、节能减排”的理念已经深入煤矿生产中，同时也对带式输送机的驱动方式提出了更高的要求。传统带式输送机采用工频驱动、液力耦合器的传动方式，在驱动运行时存在效率低、功率不平衡以及冲击大等问题，无形中增加了带式输送机的运维成本和时间，降低了综采工作面的生产效率。为解决上述问题，本文将对带式输送机的驱动方式进行优化设计。
关键词：带式输送机；驱动；优化；节能；无模型自适应
引言：异步电动机带限矩型液力偶合器驱动方式、异步电动机带调速型液力偶合器驱动方式、异步电动机带CST装置驱动方式以及变频驱动方式等带式输送机常见驱动方式各自优缺点进行阐述，同时对带式输送机驱动方式未来发展方向进行了概述。无论是企业还是带式输送机设计者，应从实际情况出发，设计适合于既满足自身生产实际需要，又满足初期投资要求的科学合理的带式输送机驱动方式。在接下来的文章中，将针对带式输送机驱动方式的优化设计工作提出几点建议，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
1.现状分析
经研究可知，传统带式输送机所采用的驱动方式为“异步电机+减速器”的组合，近年来变频技术得到了飞速的发展，异步电机由于其结构简单、坚固耐用等特点被广泛应用，但是，在实际运行中需要无功电场来建立磁场能量转换的媒介，使得异步电机的额定负载功率普遍维持在0.7-0.9之间。加之，异步电机在实际运行中存在转差损耗和各次谐波损耗的问题，使得其效率更低。异步电机的不足，导致传统带式输送机仅依靠异步电机的驱动方式无法完成大负载驱动的任务，还需减速机和滚筒的配合使用才能够满足实际生产的需求。尽管如此，异步电机+减速机+滚筒的传统驱动方式的效率普遍只有0.6，造成了电能的消耗和浪费。经调研可知，外转子永磁同步电机能够解决异步电机在运行期间需要无功电场来建立磁场的问题。因此，外转子永磁同步电机在某些行业替代异步电机的使用，大大提升了设备的效率。故，针对带式输送机传统驱动方式效率低的问题，本文将通过采用“永磁同步电机+减速机”的组合解决，并对该种驱动方式的相关硬件及控制器进行设计。
2.带式输送机节能驱动控制器的设计
综采工作面煤炭生产及带式输送机的工作过程相对复杂，且其负载和环境参数处于动态变化的过程。此外，带式输送机在实际运行过程中存在较大的容量滞后性，且所运送煤矿或矸石的量变化幅度较大。目前，应用于煤矿各类设备最为广泛的控制器为PID控制器。PID控制器主要包括有积分、微分以及比例三个环节，该控制器具有结构简单、实现简单等优势。但是，经实践表明PID控制器应用于带式输送机的驱动控制时无法满足现场大滞后性的特点。因此，采用传统PID控制对带式输送机的控制其稳定性和精度很难保证。为了解决上述问题，官地矿带式输送机的驱动控制采用无模型自适应控制手段。
3.带式输送机节能调速系统硬件设计
鉴于带式输送机在综采工作面实际运行过程中的负载和环境参数处于动态变化状态，且存在较大的滞后性。上述情况不仅对带式输送机驱动系统的控制器提出了更高稳定性和可靠性的要求，也对驱动系统的相关硬件提出了新的要求。带式输送机节能调速系统的硬件主要包括有主电路、控制电路、驱动电路、保护电路以及检测电路等。本文着重对主电路中的主要硬件（功率开关器件和熔断器）进行选型设计。
3.1功率开关器件的选型
功率开关器件选型的依据为正反向峰值电压值。考虑到安全性的要求，要求所选功率开关器件集电极-发射极电压值为正反向峰值电压的2.5倍[1]。
3.2熔断器的选型
熔断器选型的主要依据为进线电流额定值。设驱动系统整流器的输出电流值为84A。考虑到安全性的要求，进线电流值应保持有一定的余量。即熔断器的过流跳闸电流值应为1.1×69=76A。经查阅相关产品手册，所选熔断器的型号为KH80，额定电流为80A。
4.节能驱动方式的效果分析
本文所设计带式输送机驱动方式的理论基础无模型自适应控制理论，其核心为无模型自适应控制器基础上的调速系统。为验证该驱动方式的稳定性和可靠性，本文基于MATLAB对无模型自适应控制调速系统的稳定性和可靠性进行仿真分析。
4.1仿真参数设置
带式输送机节能驱动电机相关仿真参数如表1所示。
4.2节能驱动效果分析
为验证节能驱动方式的控制效果，在仿真过程中将其与传统PID控制下的控制效果进行对比。并主要分析了无扰动和有扰动情况下的控制效果。无模型自适应控制器和传统PID控制器的控制效果对比如图1所示。如图1所示，基于无模型自适应控制器和传统PID控制器均能够达到理想速度。但基于无模型自适应控制器最终的速度与理想速度更为吻合[2]。分析图2可知，不同的是，传统PID控制器的控制误差较大，可达3.5左右，无模型自适应控制器的控制误差较小仅为0.75左右。
图1.控制效果对比：
图2.控制误差对比：
结论：
简而言之，在当今“绿色生产、节能减排”政策的号召下，煤矿综采工作面各大型机电设备的节能运行为大势所趋。传统带式输送机采用异步电机的驱动方式效率较低，造成极大的电能浪费。本文提出采用永磁同步电机替换异步电机的思路，实现对带式输送机驱动方式的优化设计，并基于无模型自适应控制理论设计该驱动方式下的控制器。经仿真分析可知，无模型自适应控制器的响应速度及最终控制精度均优于传统PID控制器。
参考文献：
[1]李刚，李浩源.浅谈带式输送机驱动装置的选择[J].煤炭工程，2016，7（6）：13－16．
[2]宋伟刚，王元元.大型带式输送机驱动装置的比较研究[J].工程设计学报，2018，11（6）：301－313．
论文作者:杨忠大
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
标签：带式输送机论文; 方式论文; 控制器论文; 自适应论文; 工作面论文; 节能论文; 模型论文; 《电力设备》2019年第16期论文;