帶式輸送機的變頻調速研究

周容卉

（上海電機學院，上海　201100）

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帶式輸送機的變頻調速研究

周容卉

（上海電機學院，上海201100）

摘要：帶式輸送機是廣泛運用于電力、化工、冶金等領域的輸送設備，其工作的高效性和穩定性是重要技術指標。變頻調速技術通過變頻器可以任意改變電源輸出頻率，從而調節電機轉速。變頻調速技術應用到帶式輸送機，能夠實現軟啟動、節能運行及提高輸送系統穩定性等目的。

關鍵詞：帶式輸送機；變頻控制；軟起動

工業生產過程中，帶式輸送機起動摩擦力大且常處于滿載起動狀況，輸送帶本身強度的限制要求輸送帶在起動時加速度要小、起動要平穩。而且輸送機的負載一般不是固定的，在無負載或負載較低時，高速運行對帶式傳送機傳動系統的磨損較為嚴重，且比低速運行的耗電量大，此時的機械和電能被浪費了許多。因此，驅動系統若能夠根據起動、運行、停車要求進行自動調節，保證帶式輸送機處于最佳工作狀態下，可使帶式輸送機運行高效、設備損耗降低。

交流變頻調速技術自出現以來，幾十年間以其卓越的調速性能、顯著的節電效果，以及在各生產領域的廣泛適用性得到了飛速發展，將變頻調速應用到帶式輸送系統中，能夠實現軟啟動、節能運行等功能。

1　帶式輸送機的變頻控制

（1）帶式輸送機的工作特性。帶式輸送機的傳送帶慣性大，起動時傳送滾筒的速度飛快增大，由于機械設備的慣性作用，整個傳送帶上應力造成傳動滾筒下面的回程傳送帶被放松，上面上行輸送帶被拉緊，使傳送帶受強應力拉伸損傷鋼絲繩的縱向拉伸強度，降低了傳送帶的使用壽命。停止時，傳送滾筒的速度飛快減小，整個傳送帶上的應力造成傳動滾筒下面的傳送帶被拉緊，上面的上行輸送帶被放松。當應力減小幅度小于某一區域的穩態應力時，傳送帶應力降低，傳送帶下垂增加，會使傳送帶在陷入托輥，很容易使傳送物料散落，損傷托輥，甚至造成傳送帶斷裂。當應力增加幅度大于某一區域的穩態應力時，拉緊裝置產生的巨大拉力會對傳送帶和滾筒等造成巨大傷害。因此，在起動時慢起，在停止時慢停，可以把帶式輸送機增加能量和釋放能量的節奏都放緩，以保護動力傳動裝置與傳送帶，用變頻調速方式驅動帶式輸送機可以達到這種改善起動和制動性能的目的。

（2）變頻驅動技術。變頻調速是20世紀90年代發展起來的一種電力傳動調速技術，其特點是起動能耗低、調速范圍寬、動態響應快、易于實現自動化。變頻調速使用最多的電壓型變頻調速器主要由整流器、濾波系統和逆變器三部分組成，工作時首先將三相交流電經橋式整流變為直流電，脈動的直流電經平滑濾波后通過逆變器變為電壓、頻率可調的三相交流電輸入電動機。由變頻器調速原理可知電動機的轉速n與供電頻率f的關系為：

式中：p為磁極對數，s為電動機的轉差率。通過變頻器改變電源頻率，從而調節電機轉速，實現平滑無級調速。

（3）變頻器對帶式輸送機的控制。圖1所示為帶式輸送機的設備組成，主要包括高壓開關柜、變頻柜、變壓器、保護裝置、電機等。高壓變頻器對電機一拖一獨立控制，變頻器之間用PLC通訊控制，具有抗干擾能力強、通訊速率快等特點。

圖1　帶式輸送機系統組成

2　帶式輸送機變頻調速

（1）軟啟動。由于帶式輸送機屬于大慣量重載啟動，因此在啟動過程中要采用S曲線起動以降低動應力，保證輸送帶受力均勻，延長輸送帶及整機的壽命。S起動曲線如圖2所示。

圖2　S起動曲線

S型起動曲線的速度方程為：

式中v（t）是某一時刻滾筒的線速度，即帶速；v0是穩定運行時的帶速；T0是起、制動時間；t是起、制動過程中的某一時刻。

圖3　升5降4段折簡化式S曲線

（2）節能調速。帶式輸送機工作過程中，根據運量變化相應調整帶速可達到節能運行的目的。運量Q和帶速V是直接影響功率P的主要因素，不同運量下帶式輸送機功率與帶速的關系曲線如圖4，其中Q1>Q2>Q3。由圖4可以看出，Q一定時，P與V成正比。V增大，則克服阻力所消耗的功率也增大，V減小，則能降低功率消耗以達到節能目的。但是帶速的大小被輸送量與帶強制約，因此應充分挖掘帶強的潛力，在滿足安全的情況下取較低的帶速以達到節能目的。

圖4　功率與帶速關系曲線

3　 PLC控制帶式輸送機的調速系統

利用可編程邏輯控制器PLC作為控制模塊，變頻器和電機作為執行模塊和反饋模塊構成帶式輸送機調速系統，該系統可實現軟起動、軟停車以及根據運輸量調節帶速，大大節約了耗能，降低了系統設備的機械損耗，延長設備的使用壽命。

（1）系統硬件組成。帶式輸送機的變頻調速系統主要由控制裝置、變頻器、執行電機組成，控制裝置有上位機、PLC、通訊模塊等。系統硬件框圖5如圖所示。PLC具有起動信號給定、數據采集、速度控制、與上位機通訊等功能，變頻器具有運行狀態反饋（電流信號）、故障自診斷與反饋、過載保護等功能。

圖5　控制系統框圖

（2）控制方案。用變頻器對帶式輸送機的電機進行驅動控制，并實現軟起動和軟停車。PLC控制模塊根據動態負荷實時進行調速，采集變頻器輸出的電流反饋信號，計算處理后轉換為相應的頻率，控制變頻器驅動電機，改變帶式輸送機的帶速。負荷增加，帶速增大到期望值后穩定運行；負荷減小，帶速減小到期望值后穩定運行；空載時以最低速運行。控制運算部分有3個運算模塊：電流負載運算、負載速度運算、速度頻率運算，由反饋的電動機電流對應出負載大小，根據負載大小計算電動機最佳運行速度，根據最佳運行速度計算輸出控制頻率。控制流程如圖6所示，變頻調速裝置具有遠程通訊接口，采用上位機監控軟件進行遠程監測與控制，變頻器具有故障自診斷功能，能實時將故障信號傳輸給上位機，上位機接收后輸出報警信號與停車信號。

圖6　控制流程圖

4　結語

本文介紹了可編程控制器PLC與變頻器應用于帶式傳輸機的軟起動與智能調速的優點，軟起動降低了設備的機械磨損，智能調速在很大程度上實現了節能，充分發揮了變頻器的調速功能和電機的性能，增加了帶式輸送機運行的安全性和運行效率，提升了系統的自動化水平。

The Study on the Frequency Conversion Control of Belt Conveyor

ZHOU Rong-hui
（Shanghai Dianji University，Shanghai 201100，China）

Abstract:Belt conveyor is a widely used transportation equipment in the field of electricity and chemical，its working efficiency and stability has important significance for industrial production.Variable frequency speed regulation technology can arbitrarily change the power output frequency by using the frequency converter to adjust motor speed.This paper analyzed the application of the frequency control technology in Soft-starting and intelligent speed regulation of belt conveyor，in order to improve the transmission system stability and be more efficient.

Key words:belt conveyor；frequency conversion control；soft-starting

作者簡介：周容卉（1989-），女，安徽阜陽人，碩士，主要從事機電教學工作。

收稿日期：2016-01-14

中圖分類號：TH222

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0059-02