PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

王瓊偉， 魏景

(寧夏銀星煤業(yè)有限公司， 寧夏 靈武 750408)

0 引言

目前寧夏銀星煤業(yè)運(yùn)輸大巷固定帶式輸送機(jī)與工作面可伸縮帶式輸送機(jī)配備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用“變頻器+變頻異步電動(dòng)機(jī)+減速器+高(低)速聯(lián)軸器”方式運(yùn)行，主要存在的問(wèn)題包括:傳動(dòng)效率低、電機(jī)能耗大、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、噪音大、可靠性低、設(shè)備維護(hù)工作量大、減速器液壓油需要周期性的更換等。因此,要想實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)向大功率、長(zhǎng)距離、大負(fù)載方向發(fā)展,關(guān)鍵是解決動(dòng)力來(lái)源、智能化控制及軟啟動(dòng)等問(wèn)題。通過(guò)考察學(xué)習(xí)、技術(shù)論證、經(jīng)濟(jì)分析，提出采用一種新型的PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)技術(shù)含量的提升，促進(jìn)礦井科技進(jìn)步，也為后續(xù)煤流系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化改造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)是針對(duì)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(qū)電動(dòng)機(jī)、變頻器、控制裝置等組成。外圍輔助設(shè)備包含聯(lián)軸器、逆止器、水冷裝置、盤(pán)式制動(dòng)器、逆止器、張緊裝置等。該系統(tǒng)主要解決帶式輸送機(jī)或煤流輸送系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源、軟啟動(dòng)、智能化控制等問(wèn)題。

圖1 PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)

1.2 基本原理

PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)主要包括永磁電機(jī)和配合永磁電機(jī)使用的變頻器兩大部件，其驅(qū)動(dòng)模式為永磁電機(jī)-負(fù)載，可取代傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)-減速器-變頻器負(fù)載。

2 主要特點(diǎn)

1) 啟動(dòng)平滑，實(shí)時(shí)調(diào)控。永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒直接連接，傳動(dòng)鏈縮短，系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，振動(dòng)更小、噪音更低、可靠性更高。變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟停車(chē)功能，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳動(dòng)的緩慢勻速起動(dòng)，避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間大電流給電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，有效解決了帶式輸送機(jī)在啟動(dòng)與停止時(shí)轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)劇變給傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的機(jī)械沖擊。降低了系統(tǒng)的電網(wǎng)故障和機(jī)械故障,系統(tǒng)可控性能好，可較好地解決長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不平衡問(wèn)題。

2) 多機(jī)控制平衡，降低能耗。效率高，無(wú)減速系統(tǒng)和液力偶合器，機(jī)械傳動(dòng)效率接近100%；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無(wú)需勵(lì)磁，損耗小，效率高。 永磁電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)效率高，在低負(fù)載、低速條件下，更是優(yōu)勢(shì)明顯。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為85%左右，所用的Y系列異步電動(dòng)機(jī)的能耗僅為國(guó)際IE1級(jí)(相當(dāng)于國(guó)家三級(jí)能耗)。而該系統(tǒng)的傳動(dòng)效率在94%左右，采用的永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)能耗達(dá)到國(guó)際IE4(高于國(guó)家一級(jí)能耗標(biāo)準(zhǔn))，綜合節(jié)能率6%以上。同時(shí),永磁同步電動(dòng)機(jī)匹配直接轉(zhuǎn)矩控制方式能恒定輸出額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩2倍的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用的異步電動(dòng)機(jī)在同功率條件下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定負(fù)載的55%。

3) 輸送機(jī)的自檢模式，適應(yīng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，安全運(yùn)轉(zhuǎn)。具有零速滿轉(zhuǎn)矩輸出特性，可以實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)； 具有低速驗(yàn)帶功能； 矢量控制，雙閉環(huán)(速度環(huán)、電流環(huán))調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多驅(qū)動(dòng)功率平衡；變頻控制，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的“S”曲線啟動(dòng)、停車(chē)；采用四象限變頻運(yùn)行方式時(shí)，能有效地解決下運(yùn)制動(dòng)及緊急停車(chē)問(wèn)題。

4) 降低故障率。PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)無(wú)中間傳動(dòng)換機(jī),完全取消了減速器、液力偶合器、CST等中間傳動(dòng)設(shè)備，從而減少了所需設(shè)備的維護(hù)工作，維護(hù)難度大幅降低；同時(shí)，由于系統(tǒng)各設(shè)備所需的維護(hù)間隔周期較長(zhǎng)，很大程度上降低了維護(hù)成本。

3 PVD系統(tǒng)控制原理

控制邏輯流程如圖2所示。

1) 系統(tǒng)正常啟車(chē)。正常啟車(chē)PVD控制箱由遠(yuǎn)程控制，由帶式輸送機(jī)主控系統(tǒng)向PVD控制箱發(fā)送啟車(chē)信號(hào)，PVD控制箱首先檢查整個(gè)PVD系統(tǒng)是否正常，若有故障則報(bào)故障停車(chē)，并顯示故障點(diǎn)。若系統(tǒng)無(wú)故障，控制箱首先控制冷卻裝置水泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，待水泵電動(dòng)機(jī)均有運(yùn)行返回，延時(shí)一定時(shí)間繼續(xù)啟動(dòng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，若無(wú)運(yùn)行返回則報(bào)故障停機(jī);啟動(dòng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)后，待風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)均有運(yùn)行返回后，延時(shí)一定時(shí)間繼續(xù)啟動(dòng)變頻器，若無(wú)運(yùn)行返回則報(bào)故障停機(jī)。啟動(dòng)變頻器后，若變頻器無(wú)運(yùn)行返回則報(bào)故障停車(chē),待系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判斷，是否達(dá)到預(yù)定的運(yùn)行參數(shù)。若未達(dá)到預(yù)定的運(yùn)行參數(shù)則報(bào)故障停機(jī)。

2) PVD系統(tǒng)正常停車(chē)。正常停車(chē)PVD控制箱由遠(yuǎn)程控制，由帶式輸送機(jī)主控系統(tǒng)向PVD控制箱發(fā)送停車(chē)信號(hào)，PVD控制箱首先向變頻器發(fā)送停啟動(dòng)變頻器信號(hào)，待延時(shí)一段時(shí)間后向控制風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)送停止信號(hào)，待延時(shí)一段時(shí)間后向控制水泵電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)發(fā)送停止信號(hào)。

(a) 起車(chē)

(b) 正常停車(chē)

3) 非正常停車(chē)。故障停車(chē)和急停停車(chē)都屬于非正常停車(chē)，控制箱在接到非正常停車(chē)指令后，同時(shí)對(duì)變頻器、控制水泵電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)、控制風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的開(kāi)關(guān)發(fā)送停車(chē)信號(hào)。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

4.1 降本增效，實(shí)現(xiàn)礦井快速生產(chǎn)

PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較，前期設(shè)備投入成本稍有提高。但由于PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的特性，相應(yīng)地在前期建設(shè)施工等方面節(jié)約了大量資金、人力與時(shí)間成本。

永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)為直驅(qū)方式，省卻中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，就整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，較傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小。可大大降低巷道修正及驅(qū)動(dòng)硐室建設(shè)費(fèi)用。該項(xiàng)目共計(jì)使用5臺(tái)套永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，按一個(gè)硐室安裝一套驅(qū)動(dòng)裝置計(jì)算，本次5臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置共計(jì)可省卻5個(gè)硐室的建設(shè)費(fèi)用。從以往硐室建設(shè)成本來(lái)看，單個(gè)硐室造價(jià)約8萬(wàn)元，5個(gè)硐室合計(jì)約50萬(wàn)元。

PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)僅電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行土建基礎(chǔ)建設(shè)，相較傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，土建基礎(chǔ)建設(shè)工作量降低，按每套驅(qū)動(dòng)裝置土建基礎(chǔ)造價(jià)節(jié)約5萬(wàn)元計(jì)，5套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共計(jì)降低成本約25萬(wàn)元。

永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)為直驅(qū)方式，驅(qū)動(dòng)裝置安裝工作量大為降低，整套驅(qū)動(dòng)裝置僅電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)滾筒需進(jìn)行同軸度安裝調(diào)整，其余設(shè)備無(wú)需精確安裝,從而節(jié)約大量施工時(shí)間，提高了帶式輸送機(jī)的安裝效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速投入生產(chǎn)應(yīng)用。

4.2 節(jié)能環(huán)保，降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

國(guó)內(nèi)煤礦生產(chǎn)模式?jīng)Q定了在帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)階段選用的電動(dòng)機(jī)功率等均有較大幅度的富裕。在選用傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)單元時(shí),帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)總裝機(jī)功率約是實(shí)際運(yùn)行軸功率的1.3～1.4倍,這就決定了異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)絕大部分時(shí)間運(yùn)行在額定負(fù)載的60%左右,其負(fù)載越低，異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率越低。

如圖3、4所示，按以往實(shí)際使用總結(jié)，異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的整體效率大約在80%左右。由于永磁變頻電動(dòng)機(jī)在20%～120%負(fù)載情況下，效率均為94%左右。項(xiàng)目5臺(tái)永磁變頻電動(dòng)機(jī)功率總計(jì)為 3×560+2×250=2 180 kW。根據(jù)實(shí)測(cè),節(jié)能效果約為15%～20%，按最低節(jié)能效果15%，每天總工作時(shí)間大于21 h，每年平均運(yùn)行時(shí)間為330 d計(jì)，本次采用PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)每天可節(jié)約運(yùn)行成本6 867元，年節(jié)約成本226.611萬(wàn)元。

4.3 減少運(yùn)行維護(hù)工作量，降低運(yùn)行維護(hù)成本，提升礦井生產(chǎn)效率

永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)為直驅(qū)方式，省卻了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，就整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，較傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),減少了減速器(CST)、偶合器等,從而降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的工作量。按過(guò)往使用統(tǒng)計(jì)，在采用“變頻器+變頻異步電動(dòng)機(jī)+減速器”、 “異步電動(dòng)機(jī)+CST”、“異步電動(dòng)機(jī)+偶合器+減速器”3種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式的情況下，設(shè)備本體維護(hù)、油液更換等都需大量的人工成本及材料成本。該項(xiàng)目采用PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)后約節(jié)約成本12萬(wàn)元/a。

圖4 負(fù)載率與功率因數(shù)關(guān)系

4.4 提高帶式輸送機(jī)的檢修和使用效率

采用PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)后，由于永磁變頻電動(dòng)機(jī)配合變頻器可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低帶速情況下，便于帶式輸送機(jī)驗(yàn)帶及檢修工作，提高了輸送帶的檢修和使用效率。

5 結(jié)論

總結(jié)運(yùn)輸大巷DTL120/180/2×250固定帶式輸送機(jī)與工作面DSJ120/150/3×560可伸縮帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況,PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)包含的三大核心技術(shù)(直驅(qū)技術(shù)、變頻技術(shù)、智能控制技術(shù))是較為成熟的，核心部件(永磁變頻同步電動(dòng)機(jī)、PVD專(zhuān)用變頻器、智能控制裝置)性能與品質(zhì)也是可靠的。因此,該項(xiàng)目的新技術(shù)、新科技的應(yīng)用是成功的。

PVD智能驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)的應(yīng)用，綜合提升了礦井科技含量，促進(jìn)了礦井科技進(jìn)步，不僅為礦井在節(jié)能環(huán)保方面的發(fā)展提供了技術(shù)支持，而且為礦井后續(xù)自動(dòng)化、智能化改造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。