帶式輸送機變頻控制系統(tǒng)的設計與應用

王延強

（潞安集團慈林山煤業(yè)夏店煤礦，山西 長治 046000）

帶式輸送機是煤礦生產(chǎn)主要采用的運輸設備，由于其運輸距離長、設備簡單、使用維護方便等優(yōu)點，被廣泛投入應用。但在實際工作當中，由于帶式輸送機拉運貨物經(jīng)常處于空載和滿載的交替運行狀態(tài)，隨著煤量和矸石多少的變化，當處于同一頻率帶動的皮帶出現(xiàn)空載時，仍然以高速進行運轉(zhuǎn)，造成高電能的消耗浪費，當皮帶機滿載時，皮帶下落與托輥接觸，也容易造成邊緣的磨損，縮短使用壽命，因此，通過監(jiān)測皮帶運轉(zhuǎn)時載荷量的多少與變化，實時調(diào)控皮帶控制電機頻率，可使運行更加高效、節(jié)能，延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本[1]。

1 變頻系統(tǒng)整體設計方案

1.1 系統(tǒng)構成

帶式輸送機的變頻系統(tǒng)主要通過監(jiān)測運轉(zhuǎn)時上部煤量的載荷大小，及時自動調(diào)整皮帶力矩的輸送，其主要構成包括PLC電控系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)兩部分。一般情況下，為了確保皮帶輸送機的全時性工作，往往配套安裝有兩臺電動機，以實現(xiàn)主從滾筒的雙驅(qū)動模式，有利于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與頻率，驅(qū)動滾筒通過專用電纜連接PLC電控系統(tǒng)，確保信號指令的準確、快速傳輸。此外，監(jiān)測監(jiān)控功能主要通過雙控系統(tǒng)與高壓、低壓電控箱與變頻電機相連接來實現(xiàn)，而連接到保護裝置與電子秤等系統(tǒng)則可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與控制，如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)連接圖

1.2 原理分析

帶式輸送機在同一速率狀態(tài)下高速運轉(zhuǎn)時，為了調(diào)控速度，實現(xiàn)變速時和變速后的穩(wěn)定運行，需要變頻系統(tǒng)提供巨大的反向力矩以平衡掉調(diào)速過程皮帶自身產(chǎn)生的力矩，因此，變頻器的作用正是如此，而皮帶電機轉(zhuǎn)速n與頻率f之間的關系如式（1）[2]。

式中：

S-轉(zhuǎn)差率；

m-極對數(shù)。

由此關系可得出，在轉(zhuǎn)差率與極對數(shù)固定的條件下，改變電機頻率即可改變轉(zhuǎn)速，且二者互為正比關系，即頻率越高，轉(zhuǎn)速越大；當頻率降低衰減時，電機可補償提供較大力矩，從而實現(xiàn)速度的穩(wěn)定調(diào)整。

2 變頻系統(tǒng)的組件配置

2.1 硬件配置

變頻系統(tǒng)主要由PLC智能控制器、顯示屏、溫度傳感器、速度監(jiān)控器、供電保護裝置及電子秤等硬件組成，以PLC智能控制器為中央樞紐，接收監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后，向各個組件傳遞發(fā)送指令，使其動作，實現(xiàn)智能遠程控制，以及對電機實現(xiàn)變頻控制[3]。如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件連接圖

2.2 集成裝置

帶式輸送機的信息采集器及監(jiān)測監(jiān)控裝置被分布安裝在皮帶運行過程的各個轉(zhuǎn)載點，與重點監(jiān)測區(qū)域，主要測控皮帶容易出現(xiàn)負載變化的地點，通過各種監(jiān)控器與中央電控系統(tǒng)的調(diào)控，實現(xiàn)電機變頻，確保皮帶運行速度的平穩(wěn)過度，減少磨損與故障率。如圖3所示。

夏店煤礦井下采用KTC101型控制保護系統(tǒng)，KTC101-Z型主控變頻器，以及KDW101 型電源箱，在皮帶鋪設運行較平緩的地段安裝電子秤，以監(jiān)測皮帶煤流量與載荷變化，當發(fā)生變化時，及時將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸給PLC電控系統(tǒng)進行解碼分析，通過判斷發(fā)送指令，實現(xiàn)皮帶的智能調(diào)頻[4]。

圖3 電機集中控制圖

2.3 設備選用

為了確保變頻器電機的科學合理匹配，在各參數(shù)滿足生產(chǎn)需要的前提下，減少能量的過多消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。因此，需選用合適的電機容量與變頻器容量進行配置。其配置原則應當以負載變化時的電機通過電流量來進行選擇，其運行方式主要采用“主—從”式來調(diào)節(jié)平衡，當發(fā)生故障時，在供電系統(tǒng)的回路中安裝快速熔斷器，當短路電流過載時能夠及時切斷電源，保護變頻器。

2.4 煤流監(jiān)測裝置

系統(tǒng)對煤流量的監(jiān)測主要通過皮帶電子秤的安裝來實現(xiàn)，當皮帶處于空載和重載運行狀態(tài)時，會觸發(fā)電子秤上的壓力傳感器，空載時由于皮帶被拉伸，不與傳感器接觸，壓力為零，或數(shù)值較小；當重載時，皮帶附著于托輥，通過自重擠壓，使傳感器捕捉數(shù)據(jù)，進而傳送給電控系統(tǒng)，進行分析指令，作出是否變頻的指示，實現(xiàn)智能調(diào)控[5]。

3 系統(tǒng)連接方式

帶式輸送機實現(xiàn)變頻功能的主要輔助系統(tǒng)包括電子秤、變頻器、電控系統(tǒng)與計算機（數(shù)據(jù)分析與編程功能），各部分主要通過與中央控制系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)多個端口的同時接入與工作。在斜井提升過程中，由于皮帶運輸使用雙電機做功的模式，每臺電動機各自擁有獨立的變頻控制器，需在距離提升井口50m處設置配電硐室，使供電系統(tǒng)的10kV降壓為0.6kV，與皮帶電機電壓匹配后方可供電使用，如圖4所示。

4 應用效果分析

自帶式輸送機變頻控制系統(tǒng)設計運用的半年時間內(nèi)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)能效果突出，且電機調(diào)速平穩(wěn)，皮帶啟動時的電流較少，啟動電流對整個供電系統(tǒng)的沖擊減小。變頻裝置使用后，皮帶電動機及其他設備的維修工程量下降，從而節(jié)約了大量的人工成本，減輕了維修人員的勞動強度。變頻系統(tǒng)的使用使整個工序的自動化程度及故障保護水平的程度提高，有效地保證了帶式輸送機的正常可靠運行。

帶式輸送機的電機功率為5.5kW，變頻系統(tǒng)使用以后，輸送機的功率僅僅只有額定功率的60%左右，平均每臺電機可節(jié)省功率2.2kW左右，礦井每年的工作日按300d機算，則礦井每年可節(jié)省的電費為300×24h×2.2×1.2=1.9008萬元（電費按照1.2元/kW·h）計算，節(jié)能效果理想。

5 結論

本文對帶式輸送機現(xiàn)狀與缺點進行分析，通過變頻技術對皮帶運行狀態(tài)進行遠程智能調(diào)控，經(jīng)過理論研究與設計優(yōu)化，建立了較為成熟完善的變頻控制系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了對皮帶運行速度的平穩(wěn)控制過度，降低了皮帶的磨損以及載荷變化對電機的損耗，提高了皮帶使用效率，為企業(yè)節(jié)支降耗提供了可參考的經(jīng)驗。

圖4 電力控制系統(tǒng)連接圖