帶式輸送機智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

高海生

（沈陽煤業(yè)（集團）機械制造有限公司， 遼寧 沈陽 110123）

引言

帶式輸送機是煤礦井下物料運輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其運行的穩(wěn)定性和安全性直接決定了井下物料運輸?shù)慕?jīng)濟性和可靠性，特別是隨著輸送機不斷地向長距離、大運量、高帶速方向發(fā)展，傳統(tǒng)的定速運轉(zhuǎn)輸送機已經(jīng)無法滿足多樣化的物料運輸需求，在運輸過程中不僅“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重、能耗量大，而且電機需要頻繁的啟動和停止，導(dǎo)致輸送機運行過程中的功率不平衡問題突出。

本文在對輸送機運行現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的帶式輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，對變頻調(diào)速控制理論、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、變頻調(diào)速控制邏輯等進行了分析。

1 變頻調(diào)速控制原理

輸送機系統(tǒng)的驅(qū)動電機采用的是異步電機，因此其運行時的轉(zhuǎn)速、電源頻率等存在著以下關(guān)系[1]：

式中：n 為轉(zhuǎn)速；p 為異步電機的極對數(shù)；f 為電源的工作頻率；s 為異步電機的轉(zhuǎn)差率。

由式（1）可知，異步電機在工作的過程中電機的轉(zhuǎn)速和電壓的頻率成正比關(guān)系，因此通過對電源工作頻率的調(diào)整可以實現(xiàn)對異步電機工作轉(zhuǎn)速的靈活調(diào)節(jié)。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到輸送機上的煤量增加時，則發(fā)出調(diào)節(jié)指令，提升工頻電源的頻率，用于提升輸送機的運行速度，當(dāng)輸送帶上的煤量降低時系統(tǒng)則同步降低電源頻率，減小輸送機的運行帶速。

為了滿足輸送機變頻調(diào)速的控制需求，輸送機的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括了變頻電路、控制電路、傳感器等部分。變頻電路主要采用了交流—直流—交流的控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)首先將50 Hz 的變頻電源轉(zhuǎn)換為直流電源存儲在儲能器內(nèi)，然后根據(jù)使用需求，將直流電源再轉(zhuǎn)換為交流電源。控制電路主要是對傳感器的數(shù)據(jù)信息進行分析處理后用于輸出控制信息，并根據(jù)輸送機當(dāng)前的運行狀態(tài)進行靈活調(diào)控，滿足輸送機在不同運行情況下靈活調(diào)速的需求。傳感器電路則主要是包括了電流傳感器和電壓傳感器，用于帶的輸送機運行過程中電機運行狀態(tài)的直接監(jiān)測，該變頻調(diào)速控制邏輯如圖1 所示。

圖1 變頻控制器控制邏輯示意圖

2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)

由于輸送機所采用的驅(qū)動電機為異步電機，因此為了降低系統(tǒng)改造的成本和周期，在進行變頻驅(qū)動系統(tǒng)改造時，采用了基于異步電機驅(qū)動控制的變頻系統(tǒng)改造方案，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[2]。

由圖2 可知，該驅(qū)動控制系統(tǒng)主要包括變頻器、電動機、液力耦合器、減速器等，整個系統(tǒng)通過PLC控制中心進行數(shù)據(jù)的集中控制。PLC 控制系統(tǒng)獲取輸送機上的煤量、帶速信號，然后與系統(tǒng)內(nèi)的最佳帶速、煤量匹配數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比結(jié)果輸出變頻調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)對電動機運行狀態(tài)的調(diào)整。

圖2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了確保輸送機在運行過程中帶速調(diào)節(jié)的精確性，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)節(jié)邏輯和控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一種新的輸送機變頻調(diào)節(jié)控制流程，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示[3]。

圖3 輸送機變頻調(diào)節(jié)控制邏輯示意圖

由圖3 可知，該變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心是基于輸送機煤量識別，系統(tǒng)開始后首先對自身的硬件和保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行自檢，然后對系統(tǒng)變量和定時器進行初始化設(shè)置，完成后系統(tǒng)發(fā)出輸送機的啟動信號，在輸送機運行過程中對其運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對當(dāng)前的帶速—煤量匹配情況進行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對輸送機的運行狀態(tài)進行調(diào)整，同時若輸送機系統(tǒng)的帶速過高時將啟動保護動作，防止輸送機過度的空載或者滿載運行，提升運行的經(jīng)濟性。

3 變頻驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

1）對軟啟動系統(tǒng)的影響。輸送機的驅(qū)動電機在啟動時電流沖擊很大，因此若輸送機的啟動時間過長將給井下電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，影響煤礦井下的供電安全。采用新的變頻驅(qū)動控制后，能夠?qū)㈦姍C運行時的轉(zhuǎn)矩調(diào)整到2 倍額定轉(zhuǎn)矩啟動，從而有效地控制了啟動過程中的電流沖擊混合發(fā)熱量[4]。

2）對功率平衡的影響。由于輸送機一般采用多電機驅(qū)動控制，在運行過程中極易出現(xiàn)功率分配不平衡的問題，導(dǎo)致輸送機的機械部分出現(xiàn)共振、過度磨損，也會導(dǎo)致電機長期在過載狀態(tài)下運行，影響輸送機系統(tǒng)的運行安全性。采用變頻驅(qū)動后能夠通過調(diào)整電機的輸出扭矩，進行靈活調(diào)整，確保輸送機各驅(qū)動電機運行時的功率平衡性。

3）對運行能耗的影響。在采用變頻驅(qū)動后，能夠根據(jù)輸送機上的煤量分布自動調(diào)整輸送機的運行速度，改造后輸送機約65%的時間處于低速運行的時間，將運行時的電能消耗降低24.4%以上，顯著提升了輸送機運行時的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

1）異步電機在工作的過程中電機的轉(zhuǎn)速和電壓的頻率成正比關(guān)系，因此通過對電源工作頻率的調(diào)整可以實現(xiàn)對異步電機工作轉(zhuǎn)速的靈活調(diào)節(jié)。

2）該驅(qū)動控制系統(tǒng)主要包括變頻器、電動機、液力耦合器、減速器等。能獲取輸送機上的煤量、帶速信號，根據(jù)對比結(jié)果輸出變頻調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)對電動機運行狀態(tài)的調(diào)整。

3）改造后輸送機約65%的時間處于低速運行的時間，將運行時的電能消耗降低24.4%以上，顯著提升了輸送機運行時的經(jīng)濟性。