同步變頻驅動控制技術在帶式輸送機中的應用

陳健健

（沁和能源集團有限公司，山西 晉城 048000）

帶式輸送機是煤礦井下開采過程中經常使用的重要裝備之一，其驅動方式有多種類型，目前，在我國大部分地區煤礦通常配備的帶式輸送機驅動控制系統為CST 可控驅動系統。雖然該驅動控制技術能夠較好地保障井下帶式輸送機的平穩高效啟動和運行，但在實際應用過程中依然存在耗能大、故障率高、成本高、不能實現高低速變換運行等問題[1-2]。而變頻傳輸控制系統能夠很好地解決CST 可控驅動系統存在的不足，并且可以有效提升帶式輸送機的安全運行性能。

1 帶式輸送機驅動系統特點分析

1.1 傳統帶式輸送機驅動系統

隨著煤礦開采技術的不斷提升，煤礦開采能力不斷增強，帶式輸送機逐漸向長距離、大運量、大功率方向發展，其配套的運行驅動方式也逐漸升級換代[3]。目前，煤礦帶式輸送機通常使用的CST 可控驅動系統存在有許多不足之處，具體表現為：

（1）大功率帶式輸送機運行速度很高，長時間高速運行容易造成帶式輸送機磨損嚴重，在使用過程中需經常更換膠帶。

（2）在實際生產過程中，因工作面出煤量存在不均衡性，造成帶式輸送機的運輸量經常出現變化，若其在運行過程中一直處于高速運行狀態，容易造成電能浪費。

1.2 變頻驅動系統特點

如圖1 所示為變頻驅動系統傳輸示意圖，具備的特點主要有以下幾個方面[4-5]：

（1）啟動平緩，減小帶式輸送機啟動時沖擊對膠帶的傷害。變頻驅動系統能夠優化帶式輸送機的啟動過程，驅動電機在變頻驅動系統中的變頻器控制作用下，可以使其從零速開始緩慢啟動，并帶動帶式輸送機緩慢啟動運行，使帶式輸送機真正實現軟啟動運行。

（2）實現多機聯動平衡控制。帶式輸送機利用變頻器驅動系統進行驅動運行時，可以通過總線通訊方式將多個變頻器聯接起來，設置一個主機，實現多個變頻器的主從聯動，使多臺電機同時運行時功率能夠達到平衡狀態。

（3）可實現驅動系統的實時精準調控。采用多臺變頻器驅動系統時，利用主機變頻器對從機變頻器的自動開停、速度及制動等進行實時操作控制，可以實現根據帶式輸送機輸送的煤量大小情況實時調整電機輸出功率和力矩大小，保證帶式輸送機能夠恒速運行。

（4）具備自檢模式。變頻器具備檢驗帶式輸送機運行狀況的功能，提前設置好檢驗膠帶的頻率，將膠帶運轉速度調整為低速狀態，對帶式輸送機的損耗情況進行完整檢驗。

（5）具有節能降耗作用。

① 能夠根據帶式輸送機載荷量的大小進行實時調控運轉功率，降低機械元件的磨損，減少用電量。

② 能夠將整個運輸過程中的膠帶機功率因數提高到0.95 以上。

③ 可以將電機與減速器直接進行聯接，傳遞效率提高5%～10%。

圖1 變頻驅動系統傳輸示意圖

2 變頻驅動系統的實際應用

2.1 礦井實際應用情況

南凹寺煤業30405 綜采工作面運輸巷走向長2100 m，安裝一部帶式輸送機。該部膠帶為新購設備，其驅動源采用的是在膠帶機頭和中間部位各安裝3 臺500 kW 電動機+6×BPJ-500/1140 型變頻器。機頭部位電機和變頻器與中間部位安裝的電機變頻器距離約為1000 m，中間采用光纖進行連接，形成傳輸網絡。該套帶式輸送機的驅動調節系統和運行保障系統主要是由變頻器、電動機、減速器油泵、轉換開關、張緊部件、通風機、操作臺和帶式輸送機各部位安全構件等組成，其中，變頻器是整個系統的調節中樞。安裝在該部帶式輸送機上的6 臺變頻器通過光纖連接組建成總線傳輸網絡，將前端的1 號機設置為主機，后端其余的5 臺機作為從機，使用操作臺操控1 號主機，其他從機跟隨主機進行同步運行，形成了運輸傳動系統的動態功率平衡，從而實現對帶式輸送機的運行速率調控、啟停機等操作配置。帶式輸送機變頻驅動系統驅動調節控制操作平臺及配置示意圖如圖2。

2019 年8 月該套變頻驅動系統開始在30405 綜采工作面運輸巷帶式輸送機上安裝使用，通過一年多的平穩運行，使用效果良好。

（1）帶式輸送機在開停及運行過程中，變頻驅動系統能夠將設備的各類故障報警、輸出和錄入狀態、調控方式及設備連接、運行狀況及相關參數在操作平臺上實時進行顯示，便于操作人員的操作控制。

（2）變頻器設置多重保護手段，只有所有保護全部檢測完成并確認安全后才會控制帶式輸送機啟動運行，否則無法啟動。

（3）變頻驅動系統能夠對帶式輸送機電機的水溫、膠帶故障原因及設備的連接、運行狀況進行實時監測，從而對帶式輸送機啟停及運行起到保護作用，實現設備的平穩運行。

（4）若帶式輸送機重負荷運行過程中因故障停機時，可以實現帶式輸送機的重負荷平穩啟動，不需要安排人員將膠帶上的煤清理掉再啟動，減輕了人員勞動強度，提高了工作效率。

圖2 帶式輸送機變頻驅動系統驅動調節控制操作平臺及配置示意圖

2.2 應用效果分析

與傳統的“異步電機+CST 驅動裝置”驅動系統相比，采用永磁同步變頻驅動系統耗能更低，在相同工況下，其消耗的電能比傳統方式的驅動系統低21.7%。兩種驅動方式能耗對比見表1。

表1 兩種驅動方式能耗對比情況表

（1）CST 驅動系統的傳動效率是0.825，傳動消耗的功率為500×3×（1-0.825）=236 kW。同時在CST 驅動系統中油冷部件在運行過程中消耗的功率為104 kW，按照CST 驅動系統滿負荷運行計算，其總消耗功率為340 kW。

（2）永磁同步變頻驅動系統傳動功率是0.965，傳動消耗功率為500×3×（1-0.965）=47 kW。該系統沒有油冷部件，不消耗功率，按照驅動系統滿負荷計算，其總消耗功率為47 kW。

變頻驅動系統與CST 驅動系統相比，其消耗的能量減少21.7%。

3 結論

（1）30405 綜采工作面膠帶運輸機使用永磁同步變頻驅動系統以后，經過現場實際應用，效果較好。該系統具有操作維護簡單、性能穩定、調節方便、啟動平緩、能耗低、變速效果好、故障率低等特點，能夠保障帶式輸送機穩定安全運行。

（2）該驅動系統電動機與膠帶機滾筒直接連接，減小帶式輸送機機頭的體積，且整體結構簡單，占用空間較小，減少了井下巷道工程的投入。

（3）該系統傳動效率較高，優化驅動系統裝置的共振情況，降低噪聲，改善井下作業環境。運行工作時節能降耗效果明顯，且能夠對運行工況進行實時監測，降低了設備故障率。