煤礦刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計研究

衛(wèi)義鵬

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 霍州 031400）

引言

我國煤礦資源豐富，但賦存不均，隨著風(fēng)能、水能、太陽能的開發(fā)，煤炭資源的開采比重有所下降，但仍是我國最重要的能源消耗。隨著我國開采年限的不斷增加，煤礦開采的重點(diǎn)逐步朝著覆存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。刮板輸送機(jī)作為煤礦開采的重要設(shè)備之一，其工作性能對開采有著很大的影響[1-2]，傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足如今的驅(qū)動要求。眾多學(xué)者對刮板輸送機(jī)的驅(qū)動裝置進(jìn)行過一定的研究[3]，本文以杜家溝礦為研究背景，對刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動進(jìn)行研究，為刮板輸送機(jī)驅(qū)動優(yōu)化作出一定的參考。

1 刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動設(shè)計

刮板輸送機(jī)一般是由機(jī)頭、機(jī)尾、刮板鏈、刮板、中部槽等組成，在刮板輸送機(jī)的機(jī)頭及機(jī)尾部位安裝有控制器，用于機(jī)尾、機(jī)頭的電機(jī)控制。刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動鏈輪，使得刮板鏈條與鏈輪嚙合沿中部槽周轉(zhuǎn)運(yùn)動，將采煤機(jī)截割的煤塊進(jìn)行運(yùn)送，直至到達(dá)井上。常見的刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式主要有液力耦合器驅(qū)動、CST 驅(qū)動及變頻驅(qū)動。變頻驅(qū)動是通過控制器控制變頻器的工作模式、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、控制指令及驅(qū)動方向等參數(shù)，驅(qū)動電機(jī)按照設(shè)定的驅(qū)動曲線實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)帶載及空載啟動，且實(shí)現(xiàn)實(shí)時帶速的調(diào)整。

交流三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n0=60f1/p，公式中f1為交流三相異步電機(jī)頻率，Hz；n0為交流三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min；p 為交流三相異步電機(jī)極對數(shù)；由此可以看出，交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率為正相關(guān)，所以調(diào)節(jié)電機(jī)頻率可以達(dá)到調(diào)速的目的。交流三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率表達(dá)公式為s=（n0-n）/n0，公式中n 為交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，所以可以表示出交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=n0（1-s）=60f1（1-s）/p，由此可以看出交流三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)及頻率有著很大的關(guān)系，而由于同一電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率及極對數(shù)為定值，所以改變供電的頻率，可以有效調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

在原有驅(qū)動方式下極容易遇到啟動困難、機(jī)械損耗嚴(yán)重等問題，在采用變頻驅(qū)動后可有效降低機(jī)頭、機(jī)尾的啟動電流，避免出現(xiàn)急起急停的問題。刮板輸送機(jī)啟動變頻控制模型如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機(jī)啟動變頻控制模型

如圖1 所示，驅(qū)動電機(jī)的功率參數(shù)相同，將機(jī)頭電機(jī)1、2 作為等效電機(jī)1。電機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾分別由各自的變頻器進(jìn)行控制，當(dāng)PLC 控制器收集到機(jī)頭機(jī)尾的電流信號后，識別出刮板輸送機(jī)負(fù)載情況，從而達(dá)到分別控制效果。變頻器驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)主要依賴于PLC 控制系統(tǒng)，所以對PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計對于實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動至關(guān)重要。本文選定DX-MA01 控制器作為刮板輸送機(jī)啟動變頻驅(qū)動優(yōu)化的核心部件，其具有高度集成、輸入輸出端口多、直接驅(qū)動開關(guān)閥、電壓比例閥等優(yōu)點(diǎn)。DX-MA01 控制器采用TC1796 32 位處理器，采樣的頻率為150 MHz，控制器的內(nèi)存為4 MByte+80 kByte，端口可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展，本設(shè)計的部分I/O 分配見下頁表1。

表1 啟動過程變頻驅(qū)動優(yōu)化方案I/O 分配

系統(tǒng)的電流傳感器選定為CSNR16I，CSNR16I電流傳感器能夠在井下多粉塵、潮濕及惡劣環(huán)境中使用，擁有電流范圍廣、響應(yīng)速度快及傳輸精度高的優(yōu)點(diǎn)。速度傳感器選定為NJ4-12GM40-E，速度傳感器的工作電壓在DC24V±10%范圍內(nèi)，工作的持續(xù)電流為200 mA，該傳感器為三線制電感傳感器。

2 變頻控制系統(tǒng)分析

對變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，刮板輸送機(jī)啟動過程的控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 變頻直接轉(zhuǎn)矩平衡控制圖

圖2 中電流i1和i2是刮板輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾的定子電流，能夠有效反映出機(jī)頭、機(jī)尾的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化情況，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩與額定值的偏差來實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而達(dá)到機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率平衡。為了保證刮板輸送機(jī)啟動時能夠沿著給定速度曲線運(yùn)動，對機(jī)頭機(jī)尾的電動機(jī)啟動順序及啟動時間進(jìn)行精確控制，進(jìn)一步改善機(jī)頭機(jī)尾啟動時電動機(jī)功率不平衡問題。

對優(yōu)化設(shè)計后的空載及重載下機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2、表3。

表2 空載機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值

表3 重載機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值

由表2 可以看出，在剛啟動刮板輸送機(jī)時，此時的機(jī)頭機(jī)尾最大張力值與啟動時間有著很大的關(guān)系，同時調(diào)節(jié)啟動時間差可以降低機(jī)頭機(jī)尾的功率差，當(dāng)啟動時間差為3 s 時，此時的機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率差僅為0.44 kW，優(yōu)化效果明顯。

由表3 可以看出，在統(tǒng)計時間范圍內(nèi)，隨著啟動時間差的增大，機(jī)頭的最大張力呈現(xiàn)減小的趨勢，而機(jī)尾的張力逐步增大，所以適當(dāng)選定啟動時間差可以有效降低機(jī)頭機(jī)尾最大張力差值。本文選定啟動時間差10 s 時機(jī)頭機(jī)尾最大張力差最小。同時在重載情況下，增大啟動時間差對機(jī)頭機(jī)尾功率差影響較大，當(dāng)啟動時間差為8 s 時，此時的機(jī)頭機(jī)尾功率差最小，僅為4.09 kW，所以在重載條件下，增加機(jī)頭機(jī)尾的啟動時間差能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾功率的平衡。

對刮板輸送機(jī)穩(wěn)態(tài)過程中的變頻驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)刮板輸送機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，此時的機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率協(xié)調(diào)控制如圖3 所示。

圖3 機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率協(xié)調(diào)控制圖

如圖3 所示，當(dāng)機(jī)頭實(shí)際的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為T1，機(jī)尾實(shí)際的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為T2，此時可以得出機(jī)頭機(jī)尾的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值為Δ，當(dāng)機(jī)頭機(jī)尾實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值Δ＞0 時，此時代表機(jī)頭電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩較大，適當(dāng)降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)矩，降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，以平衡機(jī)頭機(jī)尾轉(zhuǎn)矩。當(dāng)機(jī)頭機(jī)尾實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值Δ＜0 時，此時代表機(jī)尾的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩偏大，適當(dāng)降低機(jī)尾的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，降低機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)語

本文以杜家溝礦為研究背景，為提升刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動的安全性及穩(wěn)定性，對刮板輸送機(jī)的變頻驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化分析，給出了優(yōu)化驅(qū)動方案，同時對空載、重載條件下，機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)啟動時間差可實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率不平衡的目的，有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，為刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動提供一定的參考依據(jù)。