礦用皮帶機變頻系統分析及改造

呂育民

（唐山開灤鐵拓重型機械制造有限責任公司，河北 唐山 063103）

眾所周知，皮帶機廣泛使用于我國的礦山、煤炭等行業部門，是它們實現生產的關鍵性設備之一，肩負著礦井等上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據其輸送工藝具體要求，筆者總結出它既可以單臺輸送，也可以多臺組成或與其他輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統，以滿足不同布置型式的作業線需要。而隨著這種作業形式的強勁發展，礦用皮帶機變頻系統在我國礦山機電設備中也有了廣泛發展，它能有效降低礦山企業生產成本，提高企業經濟效益，更能有效避免事故的發生和延長皮帶機的使用壽命。

1 礦用皮帶機變頻系統介紹

礦用皮帶機變頻系統，是采用高性能矢量控制型變頻器驅動主電機，通過各類傳感器采集設備的運行狀態信息，配合控制系統完成所有的工藝控制和保護功能。它主要由主控臺、變頻柜、電源柜等組成，安放于控制室內。司機可操作控制臺上的轉換開關及控制按鈕來控制皮帶機的運行，并通過指示燈、儀表、及人機界面了解皮帶機的運行狀態及運行參數。

它的主要控制單元是變頻調速柜，采用知名品牌的全數字、矢量控制型變頻器作為主控原件，通過軸編碼器的數據反饋，實現高精確度的速度和力矩控制。同時完成對電機啟動、調速等控制過程，與主控臺等單元共同構成全數字、高性能的礦用皮帶機變頻電控系統。這其中主控臺是系統的控制中樞，通過操作人員的操作，可完成對皮帶機的所有控制。通過操作面板和觸摸屏的操作，可對控制方式和運行狀態進行設定，監視輸送機的運行狀態和運行參數的設置。而電源柜采用雙獨立的雙柜電源接入方式，可靠的保障了生產的連續性。同時向變頻柜、主控臺進行饋電。完善的過電流、短路、欠電壓保護功能，使設備運行安全。具體如下圖所示：

礦用皮帶機變頻系統裝置示意圖

2 礦用皮帶機變頻系統工作原理

礦用皮帶機系統工作原理是充分利用單片機與大規模CPLD之間的互補性。將此兩類器件相結合的電路運用在工業現場的皮帶運輸機保護控制中，CPLD負責采集信號及預處理，單片機做數據運算、判斷等，實現高性能的微機模式。通過配用不同的傳感器來實現膠帶運輸機的低速、堆煤等，并實現報警及自動灑水，同時具備沿線電鈴信號自動打點停車功能。

3 礦用皮帶機變頻系統特征

根據筆者多年來工作心得可知道，礦用皮帶機變頻系統能實現皮帶機沿線保護、各類溫度保護、張緊裝置、變頻軟啟動系統的集中統一控制，使皮帶機原來各自獨立部分整合為一個系統，提高了系統的安全性、可靠性。它還可利用現場總線技術實現皮帶機的監控，可以提高電控系統的可靠性，降低成本，同時實現了系統間互連使信息共享，并且控制系統擴展容易、維護方便。在控制箱觸摸屏方面實現漢化界面，各種狀態顯示一目了然，便于現場人員隨時了解系統的狀態及故障原因。

4 礦用皮帶機變頻系統控制方案

多年來，筆者在工作中對其控制方案方面做了大量嘗試性工作，取得了較好的效果。現就其皮帶機由多臺電機拖動方式總結如下。

在實際工作中由于各電機輸出是通過皮帶耦合在一起的，需要考慮協調控制問題。根據電機學原理，對于滑差0.01的電機，變頻器輸出頻率相差0.2%時，將會導致約20%的輸出轉矩不平衡，在輕載時，變頻器少量的輸出頻率差別，還會導致輸出頻率較低的變頻器進入能量回饋狀態，進而發生過壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各電機出力。

5 礦用皮帶機變頻系統改造

5.1 變頻系統改造。根據筆者具體工作分析可以知道，下行皮帶機在運行時其驅動電機會運行在四個象限內，這就需要驅動用變頻器是四象限帶能量回饋型變頻器。同時根據皮帶機的工作情況，需要變頻器能夠在電機帶載啟動、空載啟動或是停機時能夠輸出直流制動力矩，以保證皮帶機平穩啟動、停止，減小機械沖擊。

同時，為使該皮帶機同軸的兩臺電機能夠實現轉矩平衡，在變頻改造中采用同軸的兩臺電機的兩套逆變單元公用直流母線、統一控制指令，公用一套整流單元和回饋單元。這樣控制系統檢測控制兩臺電機的輸出轉矩，使之達到轉矩平衡，徹底解決扭震、共振等問題。為使整個皮帶機系統達到同步，在此筆者建議，可以將所有變頻單元里的直流母線共同連接，將控制系統設成主從控制；系統檢測所有電機的輸出轉矩，經運算后控制各電機的輸出轉矩達到統一平衡，從而實現所有電機轉矩平衡和速度同步。將所有變頻單元的直流母線連接在一起，還可以實現變頻器內部整流單元、逆變單元和回饋單元的冗余連接。當某一個整流或回饋單元發生故障時，可以由其他的整流和回饋單元來完成整流和回饋功能。

5.2 改造之后運行效果及分析。

經過上述事例的改造，筆者認為它真正實現了礦用皮帶運輸機變頻系統的軟起動。通過電機的慢速起動，帶動皮帶機緩慢起動，將皮帶內部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在起動過程中形成的張力波極小，幾乎對皮帶不造成損害。這是其一。

其二，降低了設備的維護量。我們都知道，變頻器是一種電子器件的集成，它將機械的壽命轉化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設備維護量。利用變頻器的軟起動功能實現皮帶運輸機的軟起動，起動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統機械部分的檢修量。相應的降低了維修費用。

其三，節約了能源。我們由電機設計和運行特性知道，電機只有在接近滿載時效率才是最高、功率因數最佳，輕載時則降低，造成不必要的電能損失。這是因為當輕載時，定子電流有功分量很小，主要是勵磁的無功分量，因此功率因數很低。采用變頻器驅動后，在整個過程中功率因數達0.9以上，大大節省了無功功率。

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