DTL140/32/110型煤礦用帶式輸送機控制系統技術改造及其應用效果

暴躍新

（山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司，山西 晉城048214）

引言

煤礦機電設備中，帶式輸送機是其中不可或缺的運輸裝備[1]。由于帶式輸送機在煤礦中應用廣泛，數量也相對較多，所以其消耗的電能占據煤礦電能消耗的很大一部分，限制了煤礦企業經濟效益的進一步提升[2]。在國家提倡節能減排的大背景下，采取有效措施降低帶式輸送機的能源消耗具有重要意義[3]。另外，帶式輸送機在啟動過程中，皮帶速度出現急劇變化，會影響皮帶的使用壽命，并對設備造成一定沖擊，影響設備運行的穩定性[4]。當前階段變頻技術發展較為成熟，在很多工業領域都有應用，具有節能減排、調節性能好等優勢[5-6]。本研究對某煤礦中使用的帶式輸送機控制系統進行技術改造，主要是添加了變頻技術，可以實現帶式輸送機啟動過程的軟啟動，不僅降低了煤礦企業的能源消耗，同時還有效緩解了帶式輸送機啟動過程中的沖擊振動問題。

1 帶式輸送機基本情況概況

某煤礦中使用的帶式輸送機型號為DTL140/32/110，該型號帶式輸送機使用的皮帶型號為St/S630，為鋼絲繩芯，具有抗靜電阻燃功能，皮帶寬度為1.4 m，抗拉強度可以達到630 N/mm。帶式輸送機的運輸角度為15°，距離為750 m左右，輸送速度和輸送量分別為3 m/s和1 500 t/h。驅動滾筒直徑為0.8 m，采用3臺電機同時進行驅動，使用的電機型號為YB2315S-4，功率大小為160 kW，供電電壓為6 kV。此外，帶式輸送機還配套有減速器、制動器和液壓張緊裝置，型號分別為ZSY400-25、BYWZ5-400/80和DYL-03-5/6。圖1所示為改造前的帶式輸送機控制系統工作原理框圖。

圖1 改造前的帶式輸送機控制系統工作原理框圖

但是帶式輸送機沒有使用變頻技術，這使得其在運行時存在一些不足之處，主要表現在兩個方面：第一，啟動過程容易對設備造成沖擊。沒有變頻技術時，帶式輸送機在啟動過程中，電機轉速在極短時間內達到額定轉速，帶動滾筒表面線速度瞬間從0增加到系統設定的3 m/s。由于設備在靜止狀態下存在很大的慣性，這種速度突變對皮帶以及設備都會造成較大的沖擊，嚴重影響皮帶的使用壽命，加劇設備的振動現象。尤其是在重載啟動時，這種現象更為明顯。第二，帶式輸送機啟動過程比較突然，未做到循序漸進，存在電能浪費的現象。這些問題的存在，不僅增加了煤礦企業的生產成本，同時還對輸送機造成了較大沖擊，增加了設備出現故障的概率，縮短了設備的使用壽命。因此，煤礦企業在分析以上實際情況的基礎上，決定對帶式輸送機進行技術改造，增加設置變頻器，實現輸送機的軟啟動。

2 帶式輸送機技術改造方案

2.1 技術改造基本要求分析

本次對帶式輸送機進行變頻技術改造的基本要求主要包含以下幾點：第一，對電機啟動過程電流值進行控制，避免啟動過程中產生的瞬間大電流對供電電路產生不良影響，同時還可以提升機電設備運行的穩定性和使用壽命；第二，對帶式輸送機啟動過程中的速度進行控制，實現設備的軟啟動，避免硬啟動對設備造成的沖擊，以提升設備的使用壽命，尤其是可以顯著延長皮帶的使用時間。

2.2 技術改造總體方案

鑒于原有的帶式輸送機沒有使用變頻技術，在實踐應用中存在一些問題，不利于保證整個采煤過程的穩定性。因此本次技術改造主要是增加設置了礦用本安型變頻調速器。圖2所示為改造后的帶式輸送機工作原理框圖。從圖中可以看出，與原工作原理框圖相比較，改造后的帶式輸送機控制系統包含有變頻器、變頻控制器、顯示器和操作臺。變頻器是本次技術改造的核心，其型號根據帶式輸送機的實際參數合理選用。電動機轉速、皮帶運行速度等都可以通過專業的傳感器進行檢測，這些參數是進行變頻調速的基礎，數據可以展示在顯示器中，以便工作人員實時查看帶式輸送機的運行狀態。

圖2 改造后的帶式輸送機控制系統工作原理框圖

另外，變頻啟動系統還具備有自動檢測功能，可以對啟動系統的狀態進行自動檢測，確保系統運行的可靠性和穩定性，避免變頻啟動系統自身故障問題對帶式輸送機運行的穩定性造成不利影響。

3 技術改造方案中使用的主要硬件

3.1 變頻器的選型

本次技術改造采用的變頻器為東芝三菱MVG—2000/10/6k型號，每臺電機需要配備一臺變頻器。為確保帶式輸送機的穩定運行，三臺電機的運行速度必須保持同步，同時還要確保功率平衡。為實現電機同步運動，需要對三臺變頻器進行關聯控制。將其中一臺變頻器設置為主變頻器，另外兩臺變頻器設置為從變頻器。變頻控制器只需對主變頻器進行控制即可，從變頻器的輸出電壓頻率根據主變頻器進行關聯調節。通過這樣的方式就實現了三臺電機運行速度的同步，且可以保證功率平衡。

變頻器是整個變頻啟動系統的核心裝置。進行技術改造后，系統增加了故障檢測程序，可以實現變頻器故障的自動診斷。基于實踐經驗可知，變頻器常見的故障類型主要包括過載、短路、過電壓和欠電壓等。基于故障診斷程序可以自動判斷變頻器在運行過程中存在的故障問題，并對外發出警報，以提示工作人員進行及時處理。通過這樣的措施能夠提升變頻器裝置運行的可靠性和穩定性。

3.2 傳感器的選型

本系統中使用的傳感器主要有兩種，即帶速傳感器和轉速傳感器，作用分別是實時監測皮帶的運行速度和電機的輸出轉速。這兩個參數可以為帶式輸送機的軟啟動提供數據支撐。其中，速度傳感器選用的是GSC10型，屬于礦用本安型設施，在甲烷、粉塵等復雜環境下也能夠實現高精度測量。轉速傳感器選用的是GSG1000型，同樣為礦用本安型設置，可以對電機輸出軸的轉動速度進行實時準確檢測。帶式輸送機在啟動過程中可以利用兩個傳感器檢測數據，并將得到的數據信息傳輸到變頻控制器中。變頻器基于實際狀態調整輸出電壓頻率，進而實現電機轉速的調整，達到輸送機軟啟動的目的。

4 技術改造應用效果分析

4.1 帶式輸送機運行穩定性分析

基于改造后的變頻啟動系統，可以實現帶式輸送機的軟啟動，本研究中設定的是“拋物線”型啟動模式。將傳感器采集得到的帶式輸送機實際啟動過程運行速度，與系統設定的“拋物線”型啟動速度相比較，發現兩者之間吻合得非常好，誤差控制在了小于0.5%范圍內。軟啟動模式可以有效降低帶式輸送機在啟動過程中皮帶的張力大小，降低沖擊過程對皮帶造成的損傷，提升皮帶使用壽命，同時還緩解了設備啟動過程中的振動問題，降低了設備出現故障問題的概率，提升了設備啟動過程的穩定性，為煤礦開采過程的順利推進奠定了堅實的基礎。

4.2 經濟效益分析

通過變頻技術的應用，能夠顯著降低帶式輸送機的電能消耗。技術改造后帶式輸送機的功率因素超過了0.9，即增大了有功功率的比例，降低了無功功率比例，使得帶式輸送機的電能利用率得到提升。如圖3所示為對帶式輸送機進行技術改造前后連續6個月的電能消耗情況統計。基于圖中數據可以計算得到，改造前平均每個月消耗的電能為95 314 kW·h，改造后平均每個月的電能消耗為87 418 kW·h。改造后每個月可以節省的電能為7 896 kW·h，則每年可以節省的電量為94 752 kW·h。按照0.65元/（kW·h）的用電價格進行計算，則每年可以節省的電費為61 588.8元。

圖3 帶式輸送機改造前后的電量消耗情況

5 結論

某煤礦將先進的變頻技術應用到對其DTL140/32/110型帶式輸送機的技術改造當中，使得帶式輸送機啟動過程實現了軟啟動，有效降低了啟動過程對皮帶以及設備造成的沖擊，提升了皮帶和設備的使用壽命，同時還在一定程度上節省了電能，創造了良好的經濟效益和社會效益。