帶式輸送機智能驅控系統的應用研究

宋康康

（晉煤集團大峪煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

運輸系統是制約礦井生產能力的重要因素，運輸系統是否穩定、高效對礦井生產影響較大[1-4]。目前大多數礦井運輸大巷的帶式固定輸送機以及工作面的可伸縮式輸送機通常都配備以異步電動機、變頻器、減速器以及聯軸器為主的組合裝備，存在傳動效率較低、傳動鏈較長、電機能耗高、可靠性低、噪音高、設備維護困難以及液壓油需定時更換等問題。因此，想要提高運輸系統的運輸能力，實現“大功率、長距離、高負載”，最重要的是要解決動力模式、智能控制等一系列問題[5]。采用智能驅控系統，不但能解決傳統運輸模式的一些弊病，同時也提升了機械裝備的技術含量，為今后礦井運輸系統自動化和智能化打下了良好的基礎。

1 PVD 智能驅控系統結構及其原理

1.1 系統結構

帶式輸送機采用PVD 智能驅控系統是針對散狀物料運輸系統的驅動及實現智能化控制提供的解決方案。如圖1 所示，其主要組成部分包括永磁電動機、變頻器以及控制裝置等。輔助設備主要包括制動器、聯軸器、冷卻裝置、制動器和逆止器等。PVD 智控系統與傳統運輸系統的主要區別在動力模式、智能驅動和控制等方面。

1.2 智能驅控系統的基本原理

帶式輸送機采用PVD 智能驅動與控制系統的初衷是為了以帶式輸送機機械特性及運輸系統運行工況為研究目標，綜合解決系統的動力來源、可控運行、智能控制等問題。實現復雜工況下輸送系統的安全可靠穩定運行。PVD 智能驅控系統包括永磁電機和配套變頻器兩部分，驅動模式采用永磁電機—負載模式。

圖1 PVD 智能驅控系統組成

2 PVD 智能驅控系統主要特點

1）系統啟動平順，可實時調節。永磁變頻電機的動力輸出非常平滑，直接連接傳動滾筒，縮短了整體傳動鏈，使系統運行相對平穩，運行過程中振動小、噪音低、可靠性高。變頻技術實現了漸變式啟停車功能，可保證勻速啟動，不但解決了傳統電機瞬時啟動大，電流對電網帶來的沖擊，同時也減少了因啟停時轉矩劇烈變化導致的系統強烈沖擊，可有效減少電網故障以及機械故障。

2）采用多機平衡控制，能耗降低。本系統無減速電機和液力變矩器，傳動效率高，接近100%。另外永磁電機無需勵磁，減少能源消耗。永磁電機可實現25%～120%負載范圍內的高效運行，特別是在低速、低載荷狀態下優勢顯著。傳統的運輸驅動系統傳動效率約為85%，異步電動機能耗為國際IE1 級。本系統傳動效率約為94%，永磁電機能耗為國際IE4，整體綜合節能效率超過6%。而且，永磁電機匹配的控制方式能夠恒定輸出2 倍與額定負載轉矩的啟動轉矩，相對于傳統驅動的異步電機在同樣條件下啟動轉矩僅為額定負載的55%，適應性更好。

3）采用輸送機自檢模式，適用于低速、安全運轉。本系統在零速時可滿轉矩輸出，從而實現重載狀態下啟動；雙閉環矢量控制可實現驅動多功率平衡；在變頻控制下，可實現輸送機“S”曲線啟、停；變頻模式下，可解決下運制動和緊急停車等問題。

4）故障率較低。PVD 智能驅控系統減少了大量中間設備，大大減少了設備維護量，在降低維護難度的同時，也拉長了維護周期，減少了維護成本。

3 PVD 智能驅控系統原理

本系統控制邏輯流程見圖2。

圖2 系統控制邏輯圖

3.1 系統啟車

正常啟車采用遠程控制，首先由控制系統向PVD 控制箱發送信號，控制箱會對整個系統進行自檢，出現故障會自動報故障并停車，同時顯示故障點。若無故障，則首先啟動冷卻裝置，等水泵電機有運行后返回，在延時一定時間后再啟動風扇電機，若水泵電機無運行則報錯停機；風扇電機啟動運行返回之后，延遲啟動變頻器，無運行則報錯停機。變頻器啟動后，無返回報錯停車，在系統設定啟動時間到時后，控制器對整個系統進行分析，看運行參數是否符合要求。若不符合要求則報錯停機。

3.2 系統停車

正常停車同樣采用遠程控制，首先由控制系統向PVD 控制箱發送信號，控制箱發送停車信號至變頻器，待延遲后停止風扇電動機，再延遲一段時間停止水泵電動機。

3.3 非正常停車

非正常停車包括由于故障發生的停車或者急停等。非正常停車信號發送后，控制箱同時向變頻器、水泵電機和風扇電機開關等發送信號停車。

4 PVD 智能驅控系統的應用效果

4.1 控本提效，實現運輸系統快速安裝

比起傳統的異步電機驅動系統，PVD 智能驅控系統在設備投入上成本稍高，但PVD 智控系統在建設和施工上節省了大量的資金、時間和人力成本。

PVD 智控系統的電機采用直驅方式，相比異步電機節省了中間的所有傳動環節，因此整體體積較小，大大減少了巷道修護和機電硐室的建造費用。某礦總計安裝了5 套PVD 指控系統驅動裝置，可節省五個機電硐室，按照機電硐室單價8 萬元計算，本次節省的機電硐室建造費用約為40 萬元。

傳統的運輸系統驅動裝置數量較多，需要大量的土建工作。相比而言PVD 智控系統僅有電機需進行土建工程，預計每套設備節省土建費用5 萬元，則本次永磁變頻同步直驅電機設備在基礎土建方面較傳統方式節省費用25 萬元。

本系統采用直驅方式，整套設備僅電機和滾筒需要同軸安裝，其他設備不需要高精度安裝，這就大大降低了安裝難度，同時節省了大量安裝時間，提高了設備的安裝效率，實現了運輸系統的快速投產。

4.2 節能降耗，減少設備運轉費用

我國煤炭企業的生產模式導致了帶式輸送機選擇電機功率會有大量富余。通常若使用傳統電機作為驅動模塊，則輸送機總的裝機功率應為實際運行功率的1.4 倍左右，那么電動機大多數運行負載不足額定負載的60%，并且實際負載越低，運行效率就會越低。

按照以往異步電機驅動裝置的使用情況，其整體的運行效率大概是80%。相比之下永磁同步變頻直驅電機在負載為20%～120%的情況下，運行效率約94%。本次采用的5 臺同步直驅電機總功率3×560+2×250=2 180 kW。通過實際測試，直驅電機的節能效率在15%～20%之間，那么即便按照最低節能效率15%計算，設備每天運行時間約21 h，平均每年運行330 d，則本次安裝的PVD 智控系統可以電費6 867 元/d，即226.611 萬元/a。設備負載率與效率和功率因數關系對比見圖3、圖4。

圖3 設備負載率- 效率對比圖

圖4 設備負載率- 功率因數對比圖

4.3 降低設備維護和運行成本

永磁變頻電機采用直驅方式，節省了傳動設備，大大減少了輸送機維護工作量。按照以往的統計數據，不論是選用“變頻器—減速機—異步動機”、“異步電機-CST”還是“異步電機—減速機—偶合器”驅動結構，其設備的運行維護都要消耗大量的人力物力。在采用PVD 智控系統之后，每年大約節省人工成本和材料成本約12 萬元。

4.4 提高輸送機檢修效率

安裝PVD 智控系統后，變頻電機配合變頻器可使帶式輸送機長時間低怠速運行，方便驗帶和檢修工作，大大提高了輸送機檢修、使用效率。

5 結論

將PVD 智控系統應用于運輸大巷的DTL120/180/2×250 固定帶式輸送機和工作面的DSJ120/150/3×560 可伸縮式帶式輸送機上的實際經驗證明，PVD 智控系統采用的核心技術包括變頻技術、永磁直驅、智控技術已經非常成熟，其核心設備同步變頻電機、變頻器以及智控裝置的性能和品質也相當可靠。因此，本工程在新技術、新裝備應用上取得了成功。

PVD 智控技術取得了良好的應用效果，節省了大量人力和材料成本，降低了安裝和維護的難度，提高了運行和使用效率，具有較好的經濟效益。本系統的應用提高了運輸系統的科技含量，為今后礦井煤流系統進一步的自動化乃至智能化打下了良好的基礎。