PVD智能驅動與控制系統在帶式輸送機中的應用

王瓊偉， 魏景

(寧夏銀星煤業有限公司， 寧夏 靈武 750408)

0 引言

目前寧夏銀星煤業運輸大巷固定帶式輸送機與工作面可伸縮帶式輸送機配備的驅動系統都采用“變頻器+變頻異步電動機+減速器+高(低)速聯軸器”方式運行，主要存在的問題包括:傳動效率低、電機能耗大、傳動鏈長、噪音大、可靠性低、設備維護工作量大、減速器液壓油需要周期性的更換等。因此,要想實現帶式輸送機向大功率、長距離、大負載方向發展,關鍵是解決動力來源、智能化控制及軟啟動等問題。通過考察學習、技術論證、經濟分析，提出采用一種新型的PVD智能驅動與控制系統,實現了帶式輸送機技術含量的提升，促進礦井科技進步，也為后續煤流系統自動化、智能化改造打下堅實的基礎。

1 PVD智能驅動與控制系統

1.1 總體結構

PVD智能驅動與控制系統是針對帶式輸送機的驅動與控制提供的綜合解決方案,由圖1所示,它主要由永磁變頻直驅電動機、變頻器、控制裝置等組成。外圍輔助設備包含聯軸器、逆止器、水冷裝置、盤式制動器、逆止器、張緊裝置等。該系統主要解決帶式輸送機或煤流輸送系統的動力來源、軟啟動、智能化控制等問題。

圖1 PVD智能驅動與控制系統

1.2 基本原理

PVD智能驅動與控制系統主要包括永磁電機和配合永磁電機使用的變頻器兩大部件，其驅動模式為永磁電機-負載，可取代傳統的電動機-減速器-變頻器負載。

2 主要特點

1) 啟動平滑，實時調控。永磁變頻同步電動機與傳動滾筒直接連接，傳動鏈縮短，系統運行更加平穩，振動更小、噪音更低、可靠性更高。變頻技術實現帶式輸送機的軟啟停車功能，能實現系統傳動的緩慢勻速起動，避免了電動機起動的瞬間大電流給電網帶來的沖擊，有效解決了帶式輸送機在啟動與停止時轉矩瞬時劇變給傳動系統帶來的機械沖擊。降低了系統的電網故障和機械故障,系統可控性能好，可較好地解決長距離、大運量帶式輸送機多機驅動功率不平衡問題。

2) 多機控制平衡，降低能耗。效率高，無減速系統和液力偶合器，機械傳動效率接近100%；電動機轉子為永磁體，無需勵磁，損耗小，效率高。 永磁電動機在25%～120%額定負載范圍內效率高，在低負載、低速條件下，更是優勢明顯。傳統的驅動系統的傳動效率為85%左右，所用的Y系列異步電動機的能耗僅為國際IE1級(相當于國家三級能耗)。而該系統的傳動效率在94%左右，采用的永磁直驅電動機能耗達到國際IE4(高于國家一級能耗標準)，綜合節能率6%以上。同時,永磁同步電動機匹配直接轉矩控制方式能恒定輸出額定負載轉矩2倍的啟動轉矩，而傳統驅動系統使用的異步電動機在同功率條件下的啟動轉矩是額定負載的55%。

3) 輸送機的自檢模式，適應低速運轉，安全運轉。具有零速滿轉矩輸出特性，可以實現重載啟動； 具有低速驗帶功能； 矢量控制，雙閉環(速度環、電流環)調節，實現多驅動功率平衡；變頻控制，實現帶式輸送機的“S”曲線啟動、停車；采用四象限變頻運行方式時，能有效地解決下運制動及緊急停車問題。

4) 降低故障率。PVD智能驅動與控制系統無中間傳動換機,完全取消了減速器、液力偶合器、CST等中間傳動設備，從而減少了所需設備的維護工作，維護難度大幅降低；同時，由于系統各設備所需的維護間隔周期較長，很大程度上降低了維護成本。

3 PVD系統控制原理

控制邏輯流程如圖2所示。

1) 系統正常啟車。正常啟車PVD控制箱由遠程控制，由帶式輸送機主控系統向PVD控制箱發送啟車信號，PVD控制箱首先檢查整個PVD系統是否正常，若有故障則報故障停車，并顯示故障點。若系統無故障，控制箱首先控制冷卻裝置水泵電動機起動，待水泵電動機均有運行返回，延時一定時間繼續啟動風扇電動機，若無運行返回則報故障停機;啟動風扇電動機后，待風扇電動機均有運行返回后，延時一定時間繼續啟動變頻器，若無運行返回則報故障停機。啟動變頻器后，若變頻器無運行返回則報故障停車,待系統到達設定的啟動時間時，對系統進行判斷，是否達到預定的運行參數。若未達到預定的運行參數則報故障停機。

2) PVD系統正常停車。正常停車PVD控制箱由遠程控制，由帶式輸送機主控系統向PVD控制箱發送停車信號，PVD控制箱首先向變頻器發送停啟動變頻器信號，待延時一段時間后向控制風扇電動機的開關送停止信號，待延時一段時間后向控制水泵電動機的開關發送停止信號。

(a) 起車

(b) 正常停車

3) 非正常停車。故障停車和急停停車都屬于非正常停車，控制箱在接到非正常停車指令后，同時對變頻器、控制水泵電動機的開關、控制風扇電動機的開關發送停車信號。

4 系統的應用效果分析

4.1 降本增效，實現礦井快速生產

PVD智能驅動與控制系統與傳統異步電動機驅動系統比較，前期設備投入成本稍有提高。但由于PVD智能驅動與控制系統的特性，相應地在前期建設施工等方面節約了大量資金、人力與時間成本。

永磁變頻同步電動機為直驅方式，省卻中間傳動環節，就整個驅動系統而言，較傳統異步電動機驅動系統體積小。可大大降低巷道修正及驅動硐室建設費用。該項目共計使用5臺套永磁變頻同步電動機驅動裝置，按一個硐室安裝一套驅動裝置計算，本次5臺驅動裝置共計可省卻5個硐室的建設費用。從以往硐室建設成本來看，單個硐室造價約8萬元，5個硐室合計約50萬元。

PVD智能驅動與控制系統僅電動機需要進行土建基礎建設，相較傳統異步電動機驅動裝置，土建基礎建設工作量降低，按每套驅動裝置土建基礎造價節約5萬元計，5套驅動系統共計降低成本約25萬元。

永磁變頻同步電動機為直驅方式，驅動裝置安裝工作量大為降低，整套驅動裝置僅電動機與傳動滾筒需進行同軸度安裝調整，其余設備無需精確安裝,從而節約大量施工時間，提高了帶式輸送機的安裝效率，實現設備快速投入生產應用。

4.2 節能環保，降低設備運行費用

國內煤礦生產模式決定了在帶式輸送機設計階段選用的電動機功率等均有較大幅度的富裕。在選用傳統異步電動機作為驅動單元時,帶式輸送機設計總裝機功率約是實際運行軸功率的1.3～1.4倍,這就決定了異步電動機驅動系統絕大部分時間運行在額定負載的60%左右,其負載越低，異步電動機的運行效率越低。

如圖3、4所示，按以往實際使用總結，異步電動機驅動裝置的整體效率大約在80%左右。由于永磁變頻電動機在20%～120%負載情況下，效率均為94%左右。項目5臺永磁變頻電動機功率總計為 3×560+2×250=2 180 kW。根據實測,節能效果約為15%～20%，按最低節能效果15%，每天總工作時間大于21 h，每年平均運行時間為330 d計，本次采用PVD智能驅動與控制系統每天可節約運行成本6 867元，年節約成本226.611萬元。

4.3 減少運行維護工作量，降低運行維護成本，提升礦井生產效率

永磁變頻同步電動機為直驅方式，省卻了中間傳動環節，就整個驅動系統而言，較傳統異步電動機驅動,減少了減速器(CST)、偶合器等,從而降低了整個驅動系統運行維護的工作量。按過往使用統計，在采用“變頻器+變頻異步電動機+減速器”、 “異步電動機+CST”、“異步電動機+偶合器+減速器”3種驅動結構方式的情況下，設備本體維護、油液更換等都需大量的人工成本及材料成本。該項目采用PVD智能驅動與控制系統后約節約成本12萬元/a。

圖4 負載率與功率因數關系

4.4 提高帶式輸送機的檢修和使用效率

采用PVD智能驅動與控制系統后，由于永磁變頻電動機配合變頻器可長時間運行在低帶速情況下，便于帶式輸送機驗帶及檢修工作，提高了輸送帶的檢修和使用效率。

5 結論

總結運輸大巷DTL120/180/2×250固定帶式輸送機與工作面DSJ120/150/3×560可伸縮帶式輸送機運行情況,PVD智能驅動與控制系統包含的三大核心技術(直驅技術、變頻技術、智能控制技術)是較為成熟的，核心部件(永磁變頻同步電動機、PVD專用變頻器、智能控制裝置)性能與品質也是可靠的。因此,該項目的新技術、新科技的應用是成功的。

PVD智能驅動與控制技術的應用，綜合提升了礦井科技含量，促進了礦井科技進步，不僅為礦井在節能環保方面的發展提供了技術支持，而且為礦井后續自動化、智能化改造打下了堅實的基礎。