變頻控制系統在礦用帶式輸送機中的應用

王志廣，王朋飛

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

我國是煤礦資源開采和使用大國，為順應社會經濟的高速發展，每年都需要開采大量的煤炭資源。隨著煤礦開采效率的不斷提升，對煤礦運輸的要求越來越高[1]。帶式輸送機以其顯著的優勢，比如可以實現連續運輸、成本低、結構簡單等，在礦井中得到了非常廣泛的應用[2]。驅動裝置是帶式輸送機中非常重要的結構部件，會對設備的啟動及其運行過程穩定性造成直接影響。如果可以利用優良的控制策略對帶式輸送機的啟動和運行過程進行穩定性控制，那么設備啟動過程中的沖擊就會大大降低，運行過程的能耗也能得到很好的控制[3]。基于此，人們嘗試將變頻控制技術應用到礦用帶式輸送機中，并取得了一定的成果。本文在分析礦用帶式輸送機實際情況的基礎上，將變頻控制系統應用到工程實踐中，對設備的啟動過程、運行過程以及多電機之間的功率平衡進行控制。對于提升設備運行的穩定性和可靠性、延長設備使用壽命具有重要的實踐意義。

1 帶式輸送機整體結構概述

以DTL120/200/2×315型帶式輸送機為例進行闡述，典型的帶式輸送機整體結構如圖1所示。由圖1可知，帶式輸送機由很多結構件構成，其中最重要的結構包括膠帶、驅動滾筒、換向滾筒、張緊裝置等。設備由2臺315 kW的電機同時驅動，電機輸出的動力經過減速器后，帶動驅動滾筒旋轉，驅動滾筒通過摩擦力帶動膠帶運行，煤礦物料放置在膠帶上，達到運輸的目的。

圖1 帶式輸送機的整體結構Fig.1 Overall structure of belt conveyor

傳統的帶式輸送機在啟動和運行階段存在的問題主要表現在以下幾點[4-5]：①啟動時膠帶運行速度由零迅速增加到運行速度，該階段膠帶需要承受很大的作用力，嚴重時會導致膠帶發生斷裂。同時，運行速度的快速改變會對設備造成很大的沖擊，降低設備的使用壽命；②DTL120/200/2×315型帶式輸送機由2臺電機同時驅動，如果電機之間的輸出轉速存在差異，則2根驅動軸就會承受較大的作用力，可能引發斷軸問題。可以看出，傳統的帶式輸送機在啟動和運行過程中仍然存在一定的缺陷問題，有必要利用先進的變頻控制系統對其啟動及運行過程進行控制。實現設備的軟啟動以及電機之間的功率平衡，從整體上提升帶式輸送機運行過程的穩定性和可靠性。

2 變頻控制系統的整體方案及基本原理

2.1 整體方案設計

近年來，變頻調控技術以其節能、環保等顯著的優勢，在很多領域都得到了廣泛的應用，且技術日益成熟[6]。實踐過程中，變頻器和PLC控制器的配合使用可以實現設備運行速度的精確控制。帶式輸送機變頻控制系統的整體方案如圖2所示。由圖2可知，變頻控制系統為每臺電機分別配備了變頻器，運行時利用傳感器對電機的輸出轉速及膠帶的運行速度進行檢測，利用PLC控制器對檢測結果進行分析對比。基于分析結果對2臺變頻器進行控制，變頻器輸出不同頻率的電源，最終實現電機轉速的控制。所有數據信息通過PLC控制器傳輸到上位機中，并存儲到數據服務器中以便后續調取，同時會在監控顯示屏中實時顯示帶式輸送機的運行狀態。

圖2 變頻控制系統的整體方案Fig.2 Overall scheme of frequency conversion control system

變頻控制系統需要完成的任務主要包含2個方面：①對設備的啟動過程進行控制，實現設備的軟啟動，降低啟動過程產生的沖擊；②實現帶式輸送機2臺電機之間的功率平衡控制，確保2臺電機的輸出扭矩保持相等，提升設備運行的穩定性。

2.2 變頻調速基本原理

目前在主流的工業領域使用較多的變頻器主要有2種類型：①交交變頻器；②交直交變頻器[7]。前者由于可調整的電源頻率范圍較窄，應用較為薄弱，后者可以實現電源頻率很大范圍的調整，應用更加廣泛。本系統充分考慮以上2種變頻器的特點，最終選用的是交直交變頻器。交直交變頻器的原理如圖3所示。基本原理是通過整流裝置將交流電源轉變成為直流電源，然后再通過逆變器將直流電源轉換成為電壓和頻率都可以調整的等效交流電源。

圖3 交直交變頻器的原理Fig.3 Principle of AC-DC-AC inverter

另外，電機的輸出轉速與電源頻率大小之間的關系可用以下公式進行描述：n=60f(1-s)/p，其中，s、p分別為電機的轉差率以及電極對數，當電機給定后，該2項數值為定值；n為電機的輸出轉速；f為電機電源的頻率大小。

根據以上原理可知，電機電源頻率與其輸出轉速呈正比。通過在電機前側增加變頻器來控制電機電源的頻率，就可以實現電機輸出轉速的控制。

3 變頻控制系統主要硬件的選型設計

3.1 變頻器的選型及結構

結合實際情況，選用6SE8014-1AA01變頻器，該變頻器的輸入電源頻率為50 Hz，輸出電源頻率可以在0～100 Hz范圍內根據實際情況進行調整，額定功率和額定電流分別為1.4 kW和350 A，電網功率因數超過0.96。6SE8014-1AA01變頻器的結構如圖4所示。

圖4 6SE8014-1AA01變頻器的結構Fig.4 6SE8014-1AA01 frequency converter

由圖4可知，變頻器主要由直流母線、逆變器和整流器等基本功率單元構成。其中，直流母線由中間回路和放電晶閘管構成，且中間回路中配置有電容器；整流器由2個三相二極管橋進行串聯構成；逆變器通過中點二極管和HV-IGBT構成。

3.2 變頻變壓器選型

系統選用的6SE8014-1AA01變頻器必須通過三繞組變壓器對其進行供電，低壓側繞組還需要按照變頻器實際的整流橋脈波數量提供對應相位移的電源。選用的變頻器脈波數量為12，則低壓側繞組的相位移應該控制在30°。另外，為了防止電源波動對變壓器性能造成不良影響，選用的變頻變壓器必須具備很好的感抗。基于以上要求，最終選用的變頻變壓器型號為ZBS-M-1500KVA，基于油浸方式對其進行冷卻，為了確保冷卻效果，冷卻介質的最高溫度不得超過40 ℃。變壓器低壓繞組和高壓繞組的額定容量分別為750 kVA和1 500 kVA，輸出的電壓波動范圍可以控制在±10%以內。變壓器低壓側和高壓側的電壓值分別為1 200 V和10 kV。

3.3 斷路器選型

斷路器設置在交變變壓器的前端，作用是對變壓器電壓和電流進行切斷處理。斷路器主要由兩大元器件構成，分別為保護繼電器和電流互感器。斷路器可以對變壓器以及一次側的電纜起到保護作用。一旦供電網絡中出現短路等故障問題時，通過斷路器可以將變壓器進行隔離，防止過大的電壓或者電流對變壓器、變頻器等設備造成沖擊和損壞。結合實際情況，選用的斷路器型號為VD4-12/630A。斷路器的額定電壓、額定頻率、額定電流分別為12 kV、50～60 Hz、630 A。分閘時間和合閘時間分別為40～60 ms和60～80 ms，燃弧時間和開斷時間分別為10～15 ms和50～75 ms。

3.4 控制器及拓展模塊選型

PLC控制器是變頻控制系統的核心，所有的數據信息都需要在PLC控制器中進行分析處理，并下達控制指令。此外，所有數據信息還需要通過PLC控制器傳輸到上位機中進行存儲并顯示。因此PLC控制器的性能好壞對控制系統的優劣有決定性的影響。結合實際情況，選用S7-200型PLC控制器，該型號控制器在很多工業領域得到了廣泛應用，運行效果良好[8]。CPU模塊又是PLC控制器中的核心部件，選用315-2DP型CPU。

變頻控制系統運行時，需要對電機的輸出轉速、輸出扭矩、膠帶運行速度、電機電流值進行檢測。因此，需要用到轉速傳感器、扭矩傳感器、速度傳感器以及電流檢測儀器，以上傳感器的型號分別為GSH1500、SQ9812、AON6516、HKHG-A。另外，傳感器與PLC控制器之間通過Profibus通信網絡實現數據信息的傳輸。

4 變頻控制系統的啟動以及功率平衡控制

4.1 設備啟動控制策略

變頻控制系統對2臺電機進行控制時采用的是主從控制模式，即主要對主電機的轉速進行控制，從電機根據主電機的運行情況進行調整。系統中采用的是“S”形啟動模式，啟動時電機的輸出轉速曲線整體上呈現出“S”形，如圖5所示為電機按照“S”形曲線進行軟啟動時輸出轉速與隨時間的變化情況。根據速度的變化情況，可以將電機的整個啟動階段其劃分為3個階段：軟化階段、加速階段、緩沖階段。不同階段時間比例可以結合實際情況進行調整，通常軟化階段占據整個啟動時間的10%左右[9]。

圖5 電機“S”形曲線軟啟動示意Fig.5 Schematic diagram of soft start of motor "S" curve

帶式輸送機在啟動階段，電機輸出轉速不斷增加。為了避免電機輸出轉速的急劇增大對膠帶和設備造成沖擊，需要對其輸出轉速進行精確控制。系統中主要利用PID控制技術電機輸出轉速進行控制，確保整個啟動階段按照“S”形曲線增加轉速。帶式輸送機電機在啟動階段速度的PID控制原理如圖6所示。

圖6 電機啟動速度的PID控制原理Fig.6 Principle block diagram of PID control of motor starting speed

P、I、D分別代表比例環節、積分環節、微分環節，分別用于糾正偏差、消除系統穩態誤差、降低系統超調量，這3個環節的綜合作用，能顯著提升系統的控制精度，確保電機轉速嚴格按照設定的程序執行[10]。

圖6中，r(t)、f(t)、e(t)、u(t)分別表示系統的給定速度值、電機實際輸出速度值、理想速度與實際速度的差值、控制系統輸出的速度調節量。基于以上原理，系統運行中需要對電機的實際輸出轉速進行監測，并與給定的速度值進行對比。如果兩者之間存在差值，則控制系統會輸出一個調節量，直到電機實際輸出速度與給定速度相等為止。

4.2 電機功率平衡控制策略

采用主從控制模式確保2臺電機之間的功率平衡，變頻控制系統只對主電機進行控制，從電機的輸出轉速根據主電機的輸出轉速進行調整即可。首先需要在變頻控制系統中輸入主電機運行速度給定值，同時利用傳感器對主電機的實際運行速度進行檢測，將檢測結果傳輸到PLC控制器中。PLC控制器和變頻器根據給定速度與實際速度之間的差值，對主電機輸出轉速進行調整控制，通過閉環控制將主電機實際輸出轉速與給定轉速之間的差值控制在較小范圍內。主電機運轉時會產生扭矩，通過傳感器對扭矩大小進行檢測，將檢測結果傳輸到PLC控制器中，將該結果作為從電機運轉時的給定扭矩，以該扭矩值為標準對從電機的輸出扭矩進行調節控制。通過這種方式可以確保2臺電機的輸出扭矩保持平衡，進而實現功率的平衡。基于上述原理，2臺電機在運行時，如果從電機輸出扭矩大于主電機扭矩，那么從電機就會對主電機產生拖動的效果，使主電機扭矩進一步減小。控制系統以較小的扭矩作為標準值，對從電機輸出扭矩進行控制，可以降低從電機的輸出扭矩，直到兩個電機的扭矩保持平衡。

5 變頻控制系統的應用效果分析

將以上設計的變頻控制系統應用到礦用帶式輸送機工程實踐中，為了驗證系統運行的效果，對其進行了連續3個月的調試。在整個調試期間，系統運行穩定，基本達到了預期的效果。其應用效果可以從以下2個方面進行分析。

5.1 實現了設備的軟啟動

在沒有使用變頻控制系統前，帶式輸送機的啟動過程屬于硬啟動。一旦設備電源接通后，膠帶的運行速度將會從0快速提升到運行速度。該過程由于加速度很大，會對膠帶以及機械結構造成很大沖擊，加大設備運行的故障率。本控制系統中將帶式輸送機的啟動模式設置為“S”形曲線。測試期間，將帶式輸送機正常運行時電機的輸出轉速設置為960 r/min，啟動時間設置為0.5 s，對電機的實際啟動轉速變化進行監測，結果如圖7所示。可以看出，電機的實際輸出轉速整體上呈現出“S”形狀，有效緩解了啟動過程對膠帶和設備造成的沖擊問題。測試期間帶式輸送機的故障率有了一定程度的降低，延長了設備的實際運行時間，為煤礦生產率的提升奠定了良好的基礎。同時為煤礦企業節省了一定的設備維護和保養成本。

圖7 軟啟動時電機實際轉速監測結果Fig.7 Monitoring result of actual motor speed during soft start

5.2 電機功率平衡效果分析

由于帶式輸送機同時由兩臺電機驅動，因此必須確保2臺電機之間的功率平衡，這樣才可以確保帶式輸送機運行的穩定性以及電機的使用壽命。電機運行時的輸出轉矩以及電流大小可以很好地反映電機的功率。為了對電機功率平衡效果進行分析，分別對啟動階段以及全天正常運行階段的電機轉矩和電流進行了監測。帶式輸送機啟動時2臺電機輸出轉矩的變化規律如圖8所示。

圖8 設備啟動時2臺電機輸出轉矩的變化規律Fig.8 Variation law of output torque of two motors when equipment is started

可以看出，主電機和從電機的輸出轉矩曲線基本保持重合，誤差很小，說明在設備啟動階段2臺電機的功率能夠保持平衡狀態。

帶式輸送機連續運行20 h期間，2臺電機電流的變化規律如圖9所示。可以看出，不同時間段電機的輸出電流存在很大差異，出現這種情況的原因在于不同時間段輸送的煤礦物體質量不同。但在同一時刻，2臺電機的電流基本保持一致，相同時刻電流差值控制在了6 A以內，2臺電機的功率平衡率超過了95%。

圖9 設備運行時2臺電機的電流變化規律Fig.9 Current change law of two motors when equipment is running

6 結論

以DTL120/200/2×315型帶式輸送機為研究對象，設計研究了變頻控制系統，并將其應用到工程實踐中，所得結論主要包含以下幾點。

(1)設計的變頻控制系統以S7-200型PLC控制器為核心，通過傳感器檢測電機運行過程中的轉速、電流等參數。利用控制器對檢測參數與設定值進行對比，實現帶式輸送機的變頻控制。

(2)將帶式輸送機的啟動方式設置為“S”形曲線，基于PID控制技術對啟動過程進行精確控制，有效規避了啟動過程對膠帶和設備造成的沖擊。基于主—從控制模式對2臺電機的功率平衡進行控制。

(3)將設計的變頻控制系統應用到礦用帶式輸送機實踐中，經現場測試發現取得了很好的應用效果。設備的啟動方式得到很好改善，2臺電機之間的功率平衡程度可以超過95%以上，效果顯著。

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