1 引言
            輸送機是連續搬運各種物料的裝置。有帶式輸送機、鏈式輸送機、螺旋輸送機等。其中帶式輸送機輸送能力大、結構簡單，對物料適應性強，應用范圍廣。在煤礦開采工業，水泥工業，鋼鐵工業的煉焦、煉鐵生產線以及港口碼頭等都有廣泛應用。
            帶式輸送機的傳動方式有單滾筒傳動、雙滾筒傳動、多滾筒傳動。單電動機單滾筒傳動或者單電動機雙滾筒傳動多用于功率較小輸送機。大功率輸送機多采用雙滾筒雙電機、多滾筒多電機傳動，這樣可以減少帶內張力，有利于提高皮帶的壽命。但要注意使各電機速度同步，合理分配功率。限于篇幅本文主要討論單電機驅動的帶式輸送機的傳動控制。多電機驅動的帶式輸送機的傳動控制將另文討論。
            帶式輸送機的傳動要求:
            (1) 帶式輸送機在其上裝載了一定物料(例如煤塊)以后，其傳動轉矩與轉速基本無關，因此屬于恒轉矩負載。但是裝載到輸送機上的物料每時每刻又是變化的，有時多，負載就重;有時少，負載就輕。因此輸送機的載荷又是時時波動的。但無論負載多少，為了最大地發揮輸送機的生產能力，輸送機都應當是滿速運行。只有在檢修調整驗帶時才需要在某一低速下運行。所以輸送機正常運行時不需要用調速裝置。
            (2) 由于帶式輸送機上的負載時多時少，因此需要在從空載到滿載各種負載下起動它。
            (3) 由于靜摩擦力比動摩擦力大，輸送機在靜止時具有比轉動以后更大的阻力矩，也即起動力矩大于工作力矩，所以輸送機的電動機應當具有克服最大靜摩擦力的能力， 輸送機如果承受太大的轉矩(例如起動太快)，會造成皮帶內應力過大，從而減少皮帶的壽命。皮帶的價值約占帶式輸送機總價值四分之三。實際運行經驗表明，影響輸送機皮帶使用壽命的主要因素是電動機起動時的沖擊轉矩引起皮帶張力劇增，嚴重時甚至拉斷皮帶。所以輸送機電動機不應當采用直接接電網起動。煤礦是采用輸送機最多的部門，對輸送機的應用最有經驗。我國國家煤礦安全監察局發布的《煤礦安全規程》(2001年)第373條第9款明確規定:“帶式輸送機應加設軟起動裝置，下運帶式輸送機應加設軟制動裝置”。
            (5) 多電動機驅動的帶式輸送機還須保證各電動機運行時同步運行，負載平衡。特別是起動時，如果各電動機不同步，會造成皮帶負載不均，張力增大，甚至會使皮帶撕裂。因此多電動機驅動的帶式輸送機重點要解決好各電動機的起動同步、負載平衡問題。
            2 帶式輸送機的電動機
            由于交流異步電動機結構簡單，運行可靠，易維護，受命長，而且易于制成各種防護等級，包括防爆等級的電機，因此在帶式輸送機中被廣泛采用。
            按照美國nema標準規定，電動機有a、b、c、d四類設計，其轉矩—轉速特性如圖1所示。由圖1可見，a類和b類設計的電機的起動轉矩(堵轉轉矩)比較小，d類設計的電機的起動轉矩比較大，但d類電機在正常運轉時的轉差率比較大，效率比較低。而c類設計的電動機具有很高的起動轉矩，標準的顛覆轉矩和電流(皮帶的最大靜張力是由電機的顛覆轉矩決定)，適中的轉差率。它的機械特性比a類和b類設計的機械特性軟，這樣在多電機驅動時有利于負載平衡。它的起動轉矩(堵轉轉矩)比a類和b類電動機大，這樣便能在重載情況下起動。因此帶式輸送機應當采用nema標準規定的c類設計的電動機。如用國產電機，則應選用堵轉轉矩在1.5倍以上的電機。

            圖1 nema標準四類不同設計的交流異步電動機的轉矩特性
            3 單電機驅動的帶式輸送機的傳動控制—采用具有轉速反饋控制固態軟起動器是最佳選擇
            由前面的分析可見，帶式輸送機應當選用nema標準c類設計的交流異步電動機，它在正常運轉時是不需要調速的，關鍵是解決起動的問題。傳統的方法是采用液力耦合器，當起動輸送機時，液力耦合器可以使負載與電機脫開，電機起動起來后再給液力耦合器逐漸加大液壓，使電機帶動負載。調節液力耦合器的液壓能夠調節輸送機與電機間的轉差率。這種方法的缺點是電機全壓起動的沖擊電流很大，對電網造成很大壓降;液力耦合器的附屬設備多，占地面積大，維護工作量大，壽命短。現代的方法是改進電機的控制。對于交流電動機來說，變頻調速是技術性能最好的調節轉矩和轉速的方法，也能夠用于解決帶式輸送機的起動問題和多電動機驅動的協調同步問題，但是其價格昂貴，對于帶式輸送機來說并不是性能價格比最優的方案。
            改進電機控制的另一選擇就是可控降壓起動的傳動裝置，由于前面述及帶式輸送機起動時的負載范圍變化很大，可能是空載，也可能是滿載，所以那些起動電壓不能隨意調節的裝置例如星三角起動，自耦變壓器降壓起動，串聯固定電阻或電抗器的起動都不適用。因此只有采用晶閘管調壓的固態軟起動器是可選方案。下面就來討論帶式輸送機傳動需要什么樣的固態軟起動器。
            普通的固態軟起動器采用如圖2所示電壓斜坡來起動電動機。在起動開始時即可選定一個初始起動電壓，對于靜阻力矩大的負載可以選擇施加一個脈沖突跳起動電壓，通常它的持續時間可以選擇0.1～10s，然后電壓即以一定的斜率上升，形成一個電壓斜坡;有時還可以選擇第二種上升速率，當固態軟起動器輸出電壓接近100%額定電壓時，固態軟起動器的旁路接觸器接通，將固態軟起動器中的晶閘管旁路掉，使電動機直接接入電網。

            圖2 電壓斜坡起動電動機的曲線圖
            對于異步電動機來說，其定子電流

            式中，s為轉差率，

            ;
            n0為電動機的同步轉速;n為電動機轉子轉速;
            u1為加于電機定子繞組上的電壓;
            r1，x1為定子繞組的電阻和電抗;
            r2’、x2’為轉子折算到定子電路的電阻和電抗。
            電機的電磁轉矩

            式中m1為定子相數;

            由上2式可見，異步電動機的電流雖然與外加電壓u1成正比，但它還與電機的阻抗有關，所以電壓斜坡起動方法并不能很好地控制電機的電流和轉矩。例如由于外部干擾(負載變化)，電機轉速受阻而滯后于電壓的變化，這時電流就可能突然變得比預期的大，從而在皮帶中產生大的張力。同時電網電壓波動也會造成電流和轉矩波動。
            另外，帶式輸送機的負載時大時小，變化范圍很大，如果按照最大載荷確定起動電機的電壓斜坡，實際上是讓電動機在接近最大的起動電流下工作，而對于皮帶在最大張力下工作，這當然是不利的。
            另一種方式是采用電流閉環控制來起動電動機，并且分別設定2個電流值，一個適用于滿載起動的情況，一個適用于輕載情況，由固態軟起動器的數字量輸入端控制。圖3和圖4示出了重載情況下采用恒電流起動電動機的各參數變化情況。

            圖3 一臺帶式輸送機的電動機以電流閉環控制起動

            圖4 一臺帶式輸送機的電動機以電流閉環控制起動的參數變化情況
            由圖4的曲線可以看到，電流雖然被控制住，但加速轉矩呈遞增趨勢，特別是在轉速大于80%以后，雖然電流已開始下降，但轉矩也即皮帶的張力依然快速增加，其最大轉矩會達到電動機的顛覆轉矩，給皮帶造成很大張力。所以這種控制方式也是不好的。
            由于帶式輸送機屬于恒轉矩負載，因此，如果用于起動帶式輸送機電動機的固態軟起動器具有轉矩閉環控制功能，就能控制皮帶的張力不會過大。美國benshaw公司的rsm系列低壓(380v、690v、1140v)固態軟起動器，rcx系列低壓(380v、690v)固態軟起動器以及mvrsm系列中壓(2300v、3300v、4160v、6000v、7200v、10000v和13800v)固態軟起動器都有轉矩閉環控制(tru
            torque控制)起制動功能。圖5、圖6示出了一條帶式輸送機在半載情況下，固態軟起動器以60%電動機轉矩閉環控制起動它時的各參量變化曲線，這時電動機的電磁轉矩隨時間的變化為一條恒定的直線，也即皮帶的張力保持恒定不變。由于輸送機每次起動時，它的負載都是不同的，如果每次起動都要去更改程序菜單中的起動轉矩參數是十分麻煩的事，所以只能根據輸送機滿載來設置起動轉矩也即電機的額定轉矩。但無論如何，采用轉矩控制能大大減少皮帶張力，大約只有電壓斜坡控制或電流閉環控制的50%或者更少。

            圖5 固態軟起動器以60%電動機轉矩閉環控制起動電機時的各參量變化曲線

            圖6 固態軟起動器以60%電動機轉矩閉環控制起動電機時的電流和轉速變化曲線
            美國benshaw公司的rsm系列低壓軟起動器和mvrsm系列中壓固態軟起動器為帶式輸送機提供了最佳解決方案，即采用速度閉環控制的起動方案。圖7示出了固態軟起動器速度閉環控制的電氣方框圖。它具有速度控制外環和電流控制內環，因而可以確保帶式輸送機起動時速度跟隨給定值，而線性上升，并且根據負載的大小自動調整電動機的電流。圖8、圖9和圖10、圖11分別示出了帶式輸送機在不同負載下的采用轉速閉環控制的起動曲線。起動時間都是60s。圖8是輕載下起動，所以最大起動電流只有280%。但圖10是重載下起動，所以起動電流在剛開始起動時高達500%額定電流，隨著轉速的上升，電機起動電流逐漸下降。由圖9和圖11可見，在二種負載下，凈加速轉矩是基本相同的，大約為30%額定轉矩。而電動機的電磁轉矩不同，在大負載下，電動機轉矩大，也即皮帶張力大，但不會出現像電壓或電流斜坡起動那樣很大的張力和張力波動。

            圖7 固態軟起動器速度閉環控制的電氣方框圖

            圖8 速度閉環控制的固態軟起動器起動輕載電機時的電流和轉速變化曲線

            圖9 速度閉環控制的固態軟起動器起動輕載電機時各參量變化曲線

            圖10 速度閉環控制的固態軟起動器起動滿載電機時的電流和轉速變化曲線

            圖11 速度閉環控制的固態軟起動器起動滿載電機時各參量變化曲線
            4 結束語
            通過上述分析可見單電機驅動的帶式輸送機應當選用具有轉矩閉環控制的固態軟起動器或者轉速反饋控制的固態軟起動器，從而保證皮帶張力較小，而采用具有轉速反饋控制固態軟起動器是最佳選擇。