變頻技術(shù)在帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中的應(yīng)用研究

趙剛

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù);帶式輸送機(jī);遠(yuǎn)距離運(yùn)輸

0引言

隨著煤炭工藝的不斷進(jìn)步，帶式輸送機(jī)以其多點(diǎn)啟動(dòng)、大功率以及長(zhǎng)距離等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用至煤礦開(kāi)采過(guò)程中。但帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)摩擦力較大，經(jīng)常處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，需要張緊輸送帶后才可以啟動(dòng)，并且會(huì)出現(xiàn)沖擊載荷大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)出力不均等問(wèn)題。因此，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)減小加速度，保證平穩(wěn)性。在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，帶式輸送機(jī)大多存在傳動(dòng)效率低，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，包括輸送帶斷裂、輸送帶與液力耦合器磨損嚴(yán)重以及諧振跳帶等方面。通過(guò)使用變頻技術(shù)可以改變輸送機(jī)的供電頻率，提高整體的運(yùn)輸效率。且改造后可以任意調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加速時(shí)問(wèn)，滿足軟啟動(dòng)特點(diǎn)，延長(zhǎng)了輸送帶的使用壽命，達(dá)到了明顯的節(jié)能效果。

1變頻調(diào)速技術(shù)工作原理

1.1技術(shù)原理

電子器件與控制電路均屬于變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵因素，主要變換大功率電能，包括電壓、波形以及頻率等方面，之后利用變換后的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，利用機(jī)械裝置將電能轉(zhuǎn)化為工作系統(tǒng)所需機(jī)械能，保證系統(tǒng)運(yùn)行效率與節(jié)能效果。為了完成上述功能，應(yīng)集中傳感器、計(jì)算機(jī)以及電子電路等部件，采集電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證變頻調(diào)速的控制效果，達(dá)到預(yù)期水平。

傳感器、計(jì)算機(jī)控制器以及執(zhí)行器等均屬于變頻調(diào)速裝置的組成部分。傳感器在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的特殊部位進(jìn)行安裝，完成壓力、溫度、流量以及轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息的采集工作，并形成約定標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的形式，以此反饋至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，保證控制運(yùn)算的合理運(yùn)行。執(zhí)行器分為2種類型，其中通斷開(kāi)關(guān)、閥門以及繼電器等機(jī)電裝置由計(jì)算機(jī)的控制器進(jìn)行控制;變頻器則接收由計(jì)算機(jī)控制器輸出模擬量或數(shù)字量的控制信號(hào)，根據(jù)電能形態(tài)的轉(zhuǎn)換要求改變電能的波形、電壓以及頻率等指標(biāo)，保證運(yùn)行調(diào)速效果。計(jì)算機(jī)控制器在變頻器內(nèi)置微處理器中安裝，控制調(diào)速，實(shí)現(xiàn)矢量、轉(zhuǎn)差頻率以及直接轉(zhuǎn)矩的有效控制，改善電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。此控制閉環(huán)包括電動(dòng)機(jī)、變頻器、傳感器等部件，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載啟動(dòng)，根據(jù)工作參數(shù)要求最大程度地節(jié)約電能。

1.2控制裝置系統(tǒng)形態(tài)

（1）開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。不包括計(jì)算機(jī)控制器與傳感器設(shè)備，屬于早期的變頻調(diào)速控制裝置，設(shè)定值由人工完成，利用變頻器設(shè)備完成調(diào)速。

（2）直接數(shù)字控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。利用輸入通道采集變頻工作數(shù)據(jù)信息，了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)模擬量輸出通道輸出開(kāi)停與制動(dòng)等控制信號(hào)，根據(jù)開(kāi)關(guān)量確定設(shè)備啟停控制信號(hào)與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的指示信息，且運(yùn)算、處理以及變換信息主要在計(jì)算機(jī)內(nèi)以數(shù)字量形式實(shí)現(xiàn)。

（3）分布式變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括分級(jí)管理、分散控制以及集中操作等模式，實(shí)現(xiàn)綜合協(xié)調(diào)，形成分級(jí)分布式的控制模式。

2帶式輸送機(jī)變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)核心為變頻器，利用計(jì)算機(jī)智能控制算法優(yōu)化帶式輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷，此變頻系統(tǒng)可以平衡功率，具備良好的啟停功能，在減少能耗、合理控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度的基礎(chǔ)上，保證了運(yùn)行效果。其主要結(jié)構(gòu)包括給負(fù)載提供調(diào)壓調(diào)頻電源的主電路、將工頻電源變換為直流電源的整流器、消除回路中諧波的平波回路、將直流功率變換為所要求頻率功率的逆變器及變頻器保護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)部分。礦用隔爆交流變頻器可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟與軟停，有效調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率;帶式輸送機(jī)節(jié)能控制箱可以實(shí)現(xiàn)邏輯控制、通信處理與算法計(jì)算。

3變頻技術(shù)在帶式輸送機(jī)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸中的應(yīng)用研究

3.1帶式輸送機(jī)運(yùn)行情況

某煤礦兩條帶式輸送機(jī)的整機(jī)長(zhǎng)度約為340m，測(cè)量可知運(yùn)量為700t/h。空載運(yùn)行前設(shè)備電機(jī)電流為40A，采用可控硅軟啟動(dòng)模式，后電機(jī)電流為50A;負(fù)載時(shí)前電機(jī)運(yùn)行電流為90A，后電機(jī)電流為70A，前后電機(jī)電流差別較大。且原采用調(diào)速摩擦式耦合器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行且工作效率較低，具備較大的啟動(dòng)電流。且啟動(dòng)期間需要較大加速度，輸送帶持續(xù)波動(dòng)被抑制，張力較小，無(wú)法動(dòng)態(tài)管理帶式輸送機(jī)的遠(yuǎn)距離運(yùn)行。

3.2改造措施

分析煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)可知，煤礦帶式輸送機(jī)為機(jī)頭雙驅(qū)，S型包角，運(yùn)行功率嚴(yán)重不平衡。2臺(tái)電機(jī)的電流運(yùn)行差別較大，前電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷過(guò)重，多次出現(xiàn)減速箱故障問(wèn)題，嚴(yán)重影響了煤礦的開(kāi)采效果，為企業(yè)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失。將幾種改進(jìn)方案進(jìn)行比較，結(jié)合變頻啟動(dòng)優(yōu)勢(shì)，制定了可行的變頻改造方案，增加2臺(tái)逆變箱、1臺(tái)濾波電抗箱、1臺(tái)整流回饋箱以及1臺(tái)操作臺(tái)。

（1）整流回饋。煤礦開(kāi)采過(guò)程中的供電電壓較高，一般會(huì)超出普通變頻器的供電電壓要求，當(dāng)變頻器使用普通二極管時(shí)，變頻器直流母線電壓會(huì)出現(xiàn)過(guò)高問(wèn)題，而導(dǎo)致故障問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)此應(yīng)將整流回饋系統(tǒng)應(yīng)用至公共電源中，在合理范圍內(nèi)控制直流母線電壓，采用全控橋整流模式，以保證變頻器設(shè)備的四象限運(yùn)行，滿足變頻器電源的使用要求，提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）濾波單元。網(wǎng)側(cè)配置為1臺(tái)濾波電抗箱，保證變頻器與整流回饋單元在運(yùn)行期間產(chǎn)生諧波電流濾波，避免受到電源的過(guò)多干擾。

（3）主從同步。保證功率最大程度的平衡效果，保證主從同步與功率的平衡效果。當(dāng)傳送帶被雙機(jī)或多機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)采用無(wú)傳感器矢量控制模式，其中1臺(tái)輸送機(jī)被設(shè)置為主機(jī)，從機(jī)為其他輸送機(jī)。之后主機(jī)采用速度控制模式，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方法。通過(guò)CAN總線，為從機(jī)傳遞主機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，并將其設(shè)定為從機(jī)主轉(zhuǎn)矩給定。從機(jī)在接收主機(jī)運(yùn)行頻率后，完成誤差PID計(jì)算，并保證給定轉(zhuǎn)矩的合理調(diào)整，保證從機(jī)與主機(jī)的同步控制與功率平衡。

（4）啟停帶式輸送機(jī)，保證重載啟動(dòng)的合理性與可行性。在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)結(jié)合采用變頻器軟啟動(dòng)與電機(jī)軟啟動(dòng)模式，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)慢速啟動(dòng)，緩慢啟動(dòng)帶式輸送機(jī)，緩緩釋放輸送帶內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量，降低帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的張力波，不影響輸送帶的運(yùn)行。且由于整個(gè)過(guò)程采用適量控制模式，重載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較大且平滑，不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

3.3應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)改造后進(jìn)行2個(gè)月的試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)改造前的問(wèn)題得到合理解決，運(yùn)行效果良好。一是平衡功率，當(dāng)2部帶式輸送機(jī)進(jìn)行空載運(yùn)行時(shí)，主機(jī)與從機(jī)的電流誤差應(yīng)保持在6A范圍內(nèi)，重載時(shí)保持在5A以內(nèi)，功率的平衡效果良好。分析看出，改造后帶式輸送機(jī)全天運(yùn)行良好，功率基本平衡。二是減小了電能消耗，電動(dòng)機(jī)在重載運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)較高，空載時(shí)功率因數(shù)較低，但也在0.5～0.6之間，因此變頻器在任何時(shí)候均具備較高的功率因素，且2臺(tái)帶式輸送機(jī)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率為250kW，改造后電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)明顯降低，每天可以運(yùn)行14h，消耗電能也大幅度減少。經(jīng)計(jì)算可知，改造后的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)每天可以節(jié)約251kw·h電能。三是降低了停機(jī)率，有效延長(zhǎng)了帶式輸送機(jī)的使用時(shí)間，系統(tǒng)改造后實(shí)現(xiàn)了重載與空載平滑的軟啟動(dòng)，避免了對(duì)輸送帶的沖擊，在延長(zhǎng)輸送帶與其他機(jī)械設(shè)備使用時(shí)間的基礎(chǔ)上，降低了機(jī)械設(shè)備的維修量與停機(jī)幾率，保證了生產(chǎn)效率，為企業(yè)贏得了更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

4結(jié)束語(yǔ)

某煤礦帶式輸送機(jī)系統(tǒng)在采用變頻技術(shù)后，可以有效調(diào)節(jié)加速時(shí)間，滿足了軟啟動(dòng)效果。為了保證帶式輸送機(jī)的重載平穩(wěn)啟動(dòng)，應(yīng)采用高精度控制轉(zhuǎn)矩方法，避免沖擊電網(wǎng)，保證主從機(jī)功率的平衡性，在降低故障發(fā)生幾率的基礎(chǔ)上，提高了傳動(dòng)效率，節(jié)約了電能。