刮板輸送機用變頻器設計與應用

李瀚瑞

（王村煤業(yè)公司，山西大同 037003）

0 前言

目前，煤礦開采作業(yè)過程中，綜合機械化工藝的應用非常廣泛，而刮板輸送設備又是綜合機械化開采過程中極為關鍵的運輸設備。在刮板輸送設備的電動機選型過程中，因為考慮了電動機會受到特殊的載荷作用，所以，電動機正常運行情況下會有著相對大裕量，而且很長一段時間內(nèi)均處于輕載或者空載工況下運行，有時候即便是滿載運行，電動機的負載率也只有60%左右，而且功率因數(shù)還不足0.8，導致大量的電能資源被浪費掉，而且也使得電動機的磨損變得較為嚴重。要想保證刮板輸送設備能夠達到節(jié)能的目標，應當確保其運行過程中具體運行速率應當能夠依照載荷的不同而適時進行調(diào)節(jié)。

1 刮板輸送機節(jié)能技術途徑

確保刮板輸送設備能夠穩(wěn)定、安全運轉(zhuǎn)基礎上，為了能夠達到節(jié)能的目標，在刮板輸送機設備中配套安裝上變頻器裝置，根據(jù)不同的負載情況，通過在線的變頻調(diào)劑，提升電機運轉(zhuǎn)效率，從而實現(xiàn)刮板輸送機節(jié)能的目標。

1.1 提高電動機效率

（1）電動機效率分析。目前所使用的刮板輸送設備之中電動機為鼠籠式三相異步電機，在電動機的實際運行過程中會出現(xiàn)不同的損耗問題，其主要包含有鐵損、機械損耗、銅耗以及雜散損耗等等[1]。由于各種損耗的出現(xiàn)，使得電動機無法把輸入電能完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能而輸出。

（2）實際工況分析。由于刮板輸送機在實際運行過程中，很長一段時間內(nèi)是處于輕載以及空載的工況之下運轉(zhuǎn)，有時即便是處在滿載工況下運轉(zhuǎn)，電機負載率也只能達到60%左右，導致電機較長時間不在經(jīng)濟運行區(qū)間運行，使得電機的運行效率偏低[2]。因為刮板輸送接設備實際載荷情況會受到采煤機設備掘進速率、掘進方向以及位置等多種因素影響，若是電機處在非經(jīng)濟區(qū)間運轉(zhuǎn)情況下，會使得電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能時出現(xiàn)較多的能源浪費問題。

（3）節(jié)能技術分析。在刮板輸送設備之中配套安裝上變頻裝置之后，便能夠確保電動機可以按照不同的負載情況而實時進行變頻調(diào)節(jié)。若是刮板輸送設備處在輕載以及空載運轉(zhuǎn)條件下，便能夠適當減小電動機轉(zhuǎn)速值，以減小刮板輸送設備的運行速率，確保輸送機設備單位長度內(nèi)載荷數(shù)量有所增加，從而有效提升了電動機負載率，確保電動機能夠維持在經(jīng)濟運行區(qū)間運轉(zhuǎn)[3]。若是刮板輸送機設備處在滿載或者是處在超載情況下運轉(zhuǎn)，便通過變頻調(diào)節(jié)增加電動機運轉(zhuǎn)速率，使得刮板輸送機設備的輸送速率得以提升，輸送機設備單位長度內(nèi)載荷數(shù)量有所減少，從而適當降低電動機負載率，保證電動機能夠一直在效率最高位置運行，以達到節(jié)能的目標。

1.2 提高機械效率

（1）刮板輸送機設備的機械效率分析。在輸送機設備實際運轉(zhuǎn)過程中，鏈條部位、刮板部位以及中部槽部位等均會產(chǎn)生一定摩擦，在彎曲段也存在一定的運行阻力，正是由于各種損耗的存在，使得輸送機設備在空載時所消耗的功率大約為裝載功率30%左右。而這一功耗屬于無用功耗，若是能夠有效地降低無用功耗值，便能夠進一步提升刮板輸送機設備的機械效率。

（2）節(jié)能技術分析。鏈條部位、刮板部位以及中部槽部位等摩擦阻力值和設備自身的機械性質(zhì)存在直接聯(lián)系，若是外部的環(huán)境條件保持不變，則無功功耗同樣也是恒定的。當刮板輸送機設備處在滿載情況下，此時，其所擁有的機械效率達到最大，而在刮板輸送機處在空載情況下時，其所擁有的機械效率最小，刮板輸送機設備的機械效率和有效載荷量存在密切聯(lián)系，有效載荷增加，則輸送機設備的機械效率也會增加，通過利用變頻器裝置，實現(xiàn)對刮板輸送機的實時調(diào)速控制，確保能夠達到運輸要求情況下，保證不出現(xiàn)超載以及欠載問題，當處在輕載以及空載情況下，采取減小鏈條運轉(zhuǎn)速率的方式，降低克服摩擦所做的無用功耗，便能夠取得良好的節(jié)能效果[4]。

（3）降耗技術分析。若是輸送機設備在空載或者輕載狀況下運轉(zhuǎn)，采取減少鏈條運轉(zhuǎn)速率的方法，可以確保煤炭運輸作業(yè)正常運轉(zhuǎn)，另外，由于減少了輸送機設備的磨損，能夠顯著地增加各個部件使用壽命，從而取得良好的降耗效果。

2 實際應用情況分析

（1）工作面概況。西山煤電公司東曲煤礦的設計生產(chǎn)能力是400萬t∕a，目前主要開采工作面為14309工作面，工作面的東北位置是井田邊界線，西北位置是已經(jīng)完成開采的14307工作面，西南位置設置有大巷保護煤柱，東南位置是下一步開采的14311工作面。14309工作面的傾角值為1°至4°之間，工作面的傾向長度值為210 m，平均開采高度值為2.8 m。工作面基本頂結構為砂巖結構，基本頂?shù)暮穸戎禐?.8 m。直接頂結構屬于砂質(zhì)泥巖結構，直接頂?shù)暮穸戎禐?.4 m。直接底結構屬于砂質(zhì)泥巖結構，直接底的厚度值為3.6 m。

（2）工作面開采作業(yè)采用型號為AGZ-800型號刮板輸送機設備，該輸送機設備的運輸量設計值為1 500 t∕h，總的裝機功率為2×400 kW，鏈條運行速率為1.2 m∕s。

（3）刮板輸送機設備配套變頻器控制概況。14309工作面在掘進過程中，對于刮板輸送機的控制是采用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻裝置實時地對電動機運轉(zhuǎn)速率加以調(diào)節(jié)，分別拖動機頭位置與機尾位置的電動機運行。煤礦刮板輸送機設備變頻器控制原理示意圖如圖1所示[5]。

圖1 煤礦刮板輸送機設備變頻器控制原理示意圖

在所設計的配套變頻器控制系統(tǒng)之中，變頻器采用工頻以及變頻雙回路設計，而且不同的回路之間是獨立運行的。設計變頻回路主要是應用在刮板輸送機設備實際運行過程中，能夠?qū)崟r地對刮板輸送機運行速率加以調(diào)節(jié)，達到平衡電動機功率的目的。而設計工頻回路主要是應用在刮板輸送機設備進行調(diào)試、點車以及應急過程之中[6]。在工頻回路以及變頻回路里，均設置有非常完善的保護裝置，而且不同的回路之間能夠非常快速與便捷地切換，和電抗器裝置一起應用，對刮板輸送機設備的機頭電機以及機尾電機進行實時在線調(diào)節(jié)。

在所配備的變頻器裝置之上，再串接型號為DBB-600的隔爆電度表箱，該裝置的主要作用是對變頻器的實時電流情況、功率因素大小以及累計電量值加以在線測量，從而分析刮板輸送設備在采用變頻器裝置調(diào)控之后所取得的具體節(jié)能效果。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)于2017年4月正式在東曲煤礦刮板輸送機設備中投入運行，在經(jīng)過了長期的運行實踐之后得出，變頻器控制系統(tǒng)運行可靠，而且取得了良好的節(jié)能、降耗效果[7]。

圖2 負載與輸出頻率曲線

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 在線變頻調(diào)速與負載關系數(shù)據(jù)分析

依照電度表箱所收集的電流數(shù)據(jù)、輸出頻率數(shù)據(jù)以及采煤機的具體位置(處于機頭位置的支架設為1號支架，處于機尾位置的支架設為136號支架，采煤機設備從機頭位置向著機尾位置不斷行走過程中，支架編號連續(xù)增大，而輸送機之上的負載也隨之增加)，繪制變頻調(diào)速控制條件下輸送機運行負載和電流、頻率的變化趨勢，具體如圖2所示。從圖2能夠得出，變頻器輸出的功率以及電流會在負載不斷增加的情況下，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

當掘進作業(yè)處于正常運轉(zhuǎn)條件下，利用變頻器調(diào)控方法能夠依照輸送機上的負載情況自動地完成頻率調(diào)節(jié)，確保電動機效率進一步提升，也顯著降低了輸送機設備處于空載以及輕載條件下機械磨損問題[8]。

3.2 噸煤耗電量數(shù)據(jù)分析

將變頻控制系統(tǒng)分別調(diào)整至工頻狀態(tài)下以及變頻狀態(tài)下運行，每一種控制狀態(tài)下運行10d時間，并記錄在此期間的日采煤數(shù)量、噸煤耗電數(shù)量。得出在各個設備運行正常的基礎上，應用變頻調(diào)節(jié)方法，輸送機設備的平均噸煤耗電數(shù)量為0.55 kWh∕t；而應用工頻調(diào)節(jié)方法，輸送機設備的平均噸煤耗電數(shù)量為0.67 kWh∕t，節(jié)電率達到了17.9%。

4 結語

在變頻器裝置應用于東曲煤礦之后，刮板輸送機設備能夠按照不同的負載情況而實時地調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速，確保電機效率得以進一步提升，達到了節(jié)能運行的目標，經(jīng)過實測得出其噸煤節(jié)電量可達17.9%左右。而且能夠輸出兩倍額定轉(zhuǎn)矩，這樣便可以確保刮板輸送機設備能夠在滿載情況下順利啟動。還能夠進一步平衡不同電機之間的功率，顯著減少各個部件的機械損耗，擁有極大的推廣應用價值。