高壓變頻調速一體機在刮板輸送機上的應用

李祥千 劉錫安

摘 要：本文通過高壓變頻調速一體機在采煤工作面刮板輸送機上成功應用的實例，詳細敘述了高壓變頻調速一體機在刮板輸送機上的應用，并論述了其對采煤工作面的安全、節能和提高自動化程度等方面所帶來的變革。通過一種全新的控制思路，解決刮板輸送機上多驅動的功率平衡問題。為變頻調速一體機在刮板輸送機、帶式輸送機、轉載輸送機等大型運輸設備上的應用提供了理論基礎和實踐經驗。

關鍵詞：刮板輸送機；高壓；變頻調速；一體機；功率平衡

中圖分類號：TD634 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0186-02

1 概述

刮板輸送機是采煤工作面配套設備的重要組成部分，是煤炭開采后運輸的第一個環節。其結構、驅動方式、運轉的可靠性和使用壽命等，都將直接影響煤炭開采的生產效率和經濟效益。

刮板輸送機已經發展多年，關于其驅動方式也在不斷發展、更新。目前主要驅動方式有雙速電機直接驅動、電機加液力耦合器驅動、電機加CST驅動、變頻器加電機直接驅動等。變頻器驅動刮板輸送機是近幾年應用于煤礦生產的新技術，在變頻驅動的基礎上進一步優化驅動方式，使用高壓變頻調速一體機驅動，是刮板輸送機驅動技術的全新嘗試。對刮板輸送機驅動技術的變革具有重要意義。

2 控制方式

在工作面控制臺上布置一臺KXJ-127礦用隔爆兼本質安全型可編程控制箱，一體機和控制箱之間采用CAN總線進行通訊，通訊協議采用CANOPEN。

控制箱接收控制臺的啟停信號、正反轉信號、檢修模式信號，然后通過總線控制高壓變頻調速一體機的啟停、方向、轉速和工作模式等。

3 多驅動功率平衡的實現

刮板輸送機采用機頭、機尾兩部驅動，兩部驅動用鏈條連在一起。驅動連接方式跟帶式連接和齒輪連接相比有所不同；刮板輸送機的負載于其他運輸設備的負載相比也有所不同：

（1）刮板輸送機采用剛性鏈條連接，屬于剛性連接。但是鏈條都有一定的余量，刮板輸送機越長，鏈條余量會越大。刮板輸送機啟動時兩臺驅動的速度和轉矩都不會同步；（2）刮板輸送機的負載主要是上方的落煤，但是在運行時煤炭不可避免的會進入刮板輸送機底部，造成拉回煤現象，影響兩臺驅動的功率平衡；（3）刮板輸送機在運轉時落下大的塊煤、巖石或在推溜的過程中刮板卡滯，都會帶來負載的突變，但是這種負載突變屬于正常現象，不能停機保護。且突變的負載也為負載功率平衡的實現增加了難度。

3.1 直接轉矩控制

直接轉矩控制（DTC）控制技術是目前比較流行的變頻調速控制方式之一。直接轉矩控制與矢量控制的區別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量控制，其實質是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的。這種方法不需要復雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩的直接跟蹤實現PWM脈寬調制和系統的高動態性能。

3.2 多驅動功率平衡的實現

刮板輸送機驅動采用的高壓變頻調速一體機，其核心變頻控制方式為直接轉矩控制模式。即以電機的輸出轉矩為控制變量。在多驅動使用時，以其中一臺高壓變頻調速一體機的輸出轉矩為參考，比較被控高壓變頻調速一體機的輸出轉矩，通過PID運算，使用PID運算的輸出值來校正被控設備的轉速設定。

PID調節基本運算方程為：

y=Kp[e（t）+e（t）dt+Td

式中：e（t）為輸入偏差值，即參考高壓變頻調速一體機的輸出轉矩值和被控高壓變頻調速一體機的輸出轉矩值的差值；

Kp為調節比例系數。根據鏈條松緊狀況，可以調整此參數優化速度控制。

Ti為調節積分時間。Td為調節微分時間。通常Td為零。即整個調速過程實際為PI調節。

高壓變頻調速一體機的控制引入PI調節后，正常運行狀態下兩臺設備這件輸出轉矩基本保持一致，達到運轉過程中功率平衡的目的。

如前文所述，刮板輸送機是運行工況比較復雜的設備，實際使用時會存在各種各樣的特殊情況。圖1是兩臺設備實際運行轉矩曲線圖。可以看出，兩臺電機之間轉矩存在周期性波動。根據實際現場，波動原因是刮板輸送機鏈條存在一段舊鏈條。新舊鏈條不匹配會曲線圖1曲線。

在實際應用過程中，變頻調速控制的刮板輸送機能為現場檢修和分析問題提供可靠的分析數據。這也是刮板輸送機應用變頻調速驅動的一大優勢。

4 變頻調速控制在刮板輸送機檢修時的運用

刮板輸送機在使用過程中，因為煤層變化或刮板、鏈條的疲勞，經常會需要截短、增加或更換鏈條跟刮板。在這個工作過程中，刮板輸送機需要運行在很低的轉速，達到固定位置后停車并抱閘。這個過程一般需要刮板輸送機配套液壓馬達來實現。因為性能和安全的原因，這個功能在雙速電機、液力耦合器甚至變頻器等驅動方式上無法實現替代液壓馬達，見圖2。

高壓變頻調速一體機的使用，配套減速機機械制動裝置，實現了替代液壓馬達的功能。實現替代液壓馬達功能需要具備以下條件：

（1）電機需要極低的運行轉速。高壓變頻調速一體機由于變頻器和電機集成在一體，低速性能比變頻器加變頻電機的方式更加優越。高壓變頻調速一體機可以在100轉/分低速下穩定運行。（2）高壓變頻調速一體機帶直流抱閘功能。使用直流抱閘保持功能可將電機轉子鎖定在零速。當速度給定和電機速度均降到預設的直流保持速度以下時，傳動單元使電機停止并將直流注入電機。當速度給定再次超過直流保持速度時，傳動單元重新開始正常工作。圖2為直流抱閘功能曲線示意圖。（3）高壓變頻調速一體機直流抱閘功能配合減速機機械制動裝置，在功能性和安全性上達到現場操作要求。

5 變頻調速一體機驅動刮板輸送機時的鏈條保護功能

常規的刮板輸送機驅動方式，一般在電機和減速機之間加摩擦限矩器來限制電機傳遞到減速機的最大轉矩，保護刮板輸送機鏈條在過轉矩情況下拉斷。

高壓變頻調速一體機采用直接轉矩控制方式，電機輸出轉矩為被控量，即電機本身輸出的轉矩值是可以通過變頻部分來控制的。限制高壓變頻調速一體機的最大輸出轉矩，即等效于摩擦限矩器的效果。

也即是說，采用高壓變頻調速一體機驅動的刮板輸送機，不需要在附加額外的轉矩限制設備。

6 經濟效益

（1）節省電能：刮板輸送機在使用過程中經常會有頻繁啟停車的現象，采用工頻直接啟動，會浪費大量電能。采用高壓變頻調速一體機后，消除了頻繁啟車對電能的浪費，并且提高了電機功率因數；（2）消除了對電網的沖擊：采用工頻啟動，電機功率越大，對電網沖擊越大。使用現場一般采用錯時啟動的辦法來減小其影響。并且長距離供電時，必須增加電機電纜的截面積來減小啟動時的電壓降。這些都增加了設備和資金投入。采用高壓變頻調速一體機驅動則不存在對電網的沖擊，并且選擇電纜時只需考慮電纜的耐壓和載流量即可；（3）減小不必要的磨損，提高設備使用壽命：刮板輸送機在運行過程中對刮板和鏈條的磨損是非常大的。隨著鏈條的磨損，斷鏈的風險也會增加。采用變頻調速一體機驅動，可以根據采煤機位置和運煤量實時調節刮板輸送機的運行速度。減小刮板和鏈條的磨損；（4）使用簡單、方便：采用高壓變頻調速一體機驅動，可以取代高低速切換、液力耦合器、CST等軟啟動方式。電機和減速器直接連接，使用簡單；變頻調速一體機可在2Hz以下運行，刮板輸送機使用期間翻鏈子、上刮板等檢修工作，原先需要絞車或液壓馬達等其他驅動設備，高壓變頻調速一體機具備低速檢修模式，可以替換液壓馬達等附屬設備；（5）高壓變頻調速一體機具備轉矩保護功能，節省了附加轉矩保護設備的投入。

7 結語

刮板輸送機是煤礦采煤生產使用的傳統設備，其驅動方式隨著科技進步也在不斷變化。采用高壓變頻調速一體機驅動是目前比較先進的驅動方式。刮板輸送機是煤礦井下使用條件復雜，環境比較惡劣的運輸設備，高壓變頻調速一體機在刮板輸送機上的成功應用，為其他運輸設備使用變頻驅動提供了實踐經驗。對提升礦井自動化，節省高效生產具有重要意義。

參考文獻

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