變頻調速技術在帶式輸送機上的節能應用*

馮俊賓

(西山煤電集團有限責任公司設備租賃分公司，山西 太原 030000)

0 引 言

我國地產資源豐富，但賦存條件較為復雜，隨著我國開采年限的不斷增加，煤層開采的對象由覆存較為簡單的煤層，逐步向著覆存條件較為復雜的煤層轉化，煤礦開采難度不斷增加。帶式輸送機作為礦山重要的機械設備，現在的帶式輸送機運輸能力不斷加強，運輸距離不斷增加，承載能力不斷提升，使得其工作性能不斷被優化。但在實際工作中，由于不同時間段的運輸煤量的不同，使得帶時輸送機在運煤量較大時運輸效率較高，而在運輸煤量較小時，帶式輸送機的工作效率就有所降低，但是在實際運行過程中，由于其速度是恒定的，所以其效率一直不會發生改變，這樣就造成在運量較小，或空載狀況下出現帶式輸送機運行效率低下的問題，因此對帶式輸送機運行效率進行優化十分重要[1-2]。此前眾多的學者對帶式輸送機的運行效率有過一定的研究[3-4]。筆者對變頻調速節能系統進行研究，通過不同運行狀態下的運行速度進行調整，有效提升了帶式輸送機運行效率，為礦井帶式輸送機節能優化提供一定的參考。

1 控制系統設計

帶式輸送機在進行長距離運輸過程中，主要影響其運行功率的因素為運載量及帶式輸送機的帶速，當運載量為一個定值時，此時隨著帶式輸送機運行速度的增加，其工作效率逐步增大。同時隨著運行速度的增大，帶式輸送機的功率消耗也就越大，所以降低帶式輸送機的速度能夠在一定程度上降低其功率消耗。在運行狀態下，降低帶式輸送機的運行速度，此時物料的線密度將會增大，此時的運輸張力增大，所以為了保障帶式輸送機運行的穩定性，需要設計足夠的帶寬及帶強以此來實現大運量的目的。在運行量較小時，此時的帶寬及帶強均會出現一定的浪費，此時降低帶式輸送機運行速度能夠有效的實現變速節能的目的。帶式輸送機帶速及運量間的函數關系如下式所示：

式中：Q為帶式輸送機的運量，kg；v為帶式輸送機運行速度，m/s；qm為最大物料線密度，kg/m。

從公式中可以看出，當最大線密度不發生變化時，運量越大帶式輸送機的速度也就越多，當運載量為0時，此時的帶式輸送機運載速度也為0，但在實際運行過程在實際運量為0時運行速度并不能降低零，所以在設計過程中需要設定一個值，當運量低于設定數值時，此時的運行速度應當以某一最小值進行運行，以達到降能的目的。帶式輸送機運行速度及運量的函數調整為：

為了實現隨著運煤量變化而改變速度的目的，首先需要設計一個PLC控制器，控制器根據對皮帶的信號進行采集、分析得出帶式輸送機的運煤量，根據負載情況進行決策分析，得出最佳的運行速度，達到實時調節電動機運行速度降低能耗的目的。

首先對帶式輸送機的驅動方式進行選定，考慮到帶式輸送機為大距離、大載荷，所以帶式輸送機在進行啟動或者急停時應當適當減小對電網的沖擊及各部件的沖擊載荷，所以對啟動及急停的加速調節應當選定軟起/軟停驅動裝置，目前的啟動裝置大致可分調速性液壓耦合器驅動方式、永磁同步變頻驅動方式、變頻驅動方式及CST可控起停驅動方式。根據對不同驅動方式下的優缺點進行分析，結合實際地質情況發現在建設初期變頻驅動方式雖然費用略高，但在后期的維護上費用會有大幅度降低，同時變頻驅動裝置能夠實現連續調速，所以文中選定的驅動方式為變頻驅動為節能控制方案。

帶式輸送機的變頻調速系統主要由控制單元模塊、檢測單元模塊、執行模塊組成，主要部件帶速傳感器、PLC控制器、皮帶秤、人機對話裝置及變頻調速裝置等。

檢測單元模塊：主要用于將皮帶秤采集到的運量信息及帶速傳感器采集到的帶速信息轉化為電流信號輸送至PLC模塊。

控制單元模塊：PLC控制器接收到檢測信息后通過智能分析，實現帶式輸送機的啟動停止、變頻調速及功率平衡等功能。

PLC控制器是系統控制的核心部件，其主要負責數據采集分析及輸出，PLC控制器的主要組成部分有輸入輸出(I/O)，中央處理器，傳感器、外接口及存儲器等。由傳感器采集帶式輸送機運行狀態，由輸出輸入端口傳輸至CPU，CPU發出相應的指令，并由存儲器進行儲存。為保障系統的安全運行，文中采用雙CPU冗余系統，通過容錯計算實現雙機控制，雙CPU冗余系統如圖1所示。

執行單元模塊：當變頻控制器接收到PLC控制器發送的信號后，按照設定好的控制策略調整變頻電壓，從而調整電動機的運行速度，實現帶式輸送機的調速功能。

變頻調速控制系統的結構示意圖如圖2所示。

圖2 變頻調速控制系統的結構示意圖

設計的控制系統主要可以實現如下操作：①可以設定皮帶機的頻率，從而實現帶式輸送機的恒速運行；②能夠實現智能控制，不需要手動調速；③可以實現上機位實時控制，通過網絡傳輸交換數據。

輸出和輸入濾波單元主要是對周圍設備發出的干擾射頻進行抑制，整流單元是將頻率及電壓的交流電轉化為直流電的裝置。直流濾波單元同樣稱為儲能單元，用于整流器及負載間的無功緩沖。制動單元主要用于耗能制動，當直流母線的電壓超過規定時，此時的制動晶體管導通，將直線電壓降低至規定值。逆變單元是將直流電轉化為交流電的裝置[5]。

2 變頻調速裝置設計

對變頻調速原理進行分析，交流電機的轉速表達公式表示：

式中：f為電動機的電源頻率，Hz；n為電動機的同步轉速，r/s；s為電動機的轉速差率；p為電動機的極對數。

對變頻調速控制算法進行研究，目前控制算法主要為V/F比恒定控制方式、矢量控制方式及直接轉矩控制方式。文中采取直接轉矩控制方式為調速控制算法，直接轉矩控制算法是通過檢測電動機定字的電壓及電流及空間矢量及定子磁場定向分析法得出異步電動機的數學模型[6]。帶式輸送機的皮帶端頭部布置3臺電機，既要保持速度同步也要保障功率平衡，所以端頭的三臺電機不是相對獨立的而是相互關聯的，為了滿足系統的速度同步和轉矩平衡所以采用主從控制器分別控制彼此的控制器，1臺變頻器為控制速度的主傳動，而剩余的變頻器為轉矩控制模式，速度與主電動機同步，根據主電機的轉矩來判斷3臺電機的速度同步及功率平衡，控制原理圖如圖3所示。

圖3 帶式輸送機控制原理圖

為了確保3臺變頻器的電機運行同步，所以在每2臺變頻器間布置PLC控制器，來實現變頻器順序啟動，PLC控制器及變頻器均安裝在井口的配電室。對變頻器的故障檢測進行設計，應為變頻器的主要功能包括單元過電壓、短路接地保護及有欠電壓等，所以當發生故障時變頻器會立刻報警或者發出停機信號，此時信息傳輸至PLC控制器，通過分析進行決策保障其可靠性[7]。

對上位機通訊進行設計，通過設計通訊增加系統的智能化，降低復雜的工作量，在上位機需要配置下述功能：實時顯示運行狀態的功能、顯示電機的電流、顯示電機的速度及故障查詢[8]。

對優化前后帶式輸送機的耗能情況進行對比，在改造前主斜井帶式輸送機全年用電量計算如下：

W=3×1 400×330×16×0.6×2=26 611 200(kWh)

經過改造后帶式輸送機的輸出功率約為710 kW，所以耗電量的計算表達如下：

W=3×710×330×16×2=22 492 800(kWh)

節能效率約為15%，節能效果良好。所以在通過變頻調速節能控制技術對主斜井帶式輸送機進行調速控制后，系統有良好的節能效果，保障礦井正常運轉的同時，降低了礦井的電量消耗，產生了良好的經濟效益和社會效益，達到了節能降耗的目的，符合國家節能環保政策的要求，設計效果較好。

3 結 語

為了解決帶式輸送機空載效率低的問題，文中對帶式輸送機控制系統進行分析，通過分析運量及帶速的數學關系，給出了提升帶式輸送機效率的方法，通過對變頻器進行設計，實現帶式輸送機變頻調速的功能，達到節能降耗目標，實際節能效率達15%；并消除了常規啟停方式下產生的機械沖擊和大啟動電流等情況，為礦井高效開采提供保證。