帶式輸送機啟停及功率平衡控制

段 鑫

（西山煤電集團公司設備租賃分公司， 山西 太原 030000）

引言

近年來，隨著煤礦企業規模的不斷擴大和生產能力的不斷提升，帶式輸送機也逐漸朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展。在此大背景下，對帶式輸送機輸送帶的長度、驅動功率以及控制系統穩定性和節能性提出了更高的要求。當前，帶式輸送機以多電機多點的驅動方式為主，在實際應用中常出現啟停階段負荷突變、輸送帶張力發生突變以及電機功率不平衡等問題[1]。為此，解決帶式輸送機啟停階段的沖擊和功率不平衡問題是確保其穩定、高效、安全運行的關鍵。本文重點對帶式輸送機的啟停以及功率平衡控制開展研究。具體闡述如下：

1 帶式輸送機概述

本文所研究帶式輸送機應用礦井的生產能力為4 Mt/年，該礦井采用斜井的方式進行開拓。其中，主斜井的主要運輸設備為帶式輸送機，副斜井的主要運輸設備為無軌膠輪車。所配置帶式輸送機的具體形式為單點雙滾筒三電機驅動的鋼絲繩芯帶式輸送機，功率分配比例為2∶1。結合該礦井的實際生產運輸需求，帶式輸送機的相關參數如下：運輸工作面的傾角最大為20°，帶式輸送機的最大運輸速度為4.5 m/s，輸送帶的寬度為1 800 mm，輸送帶類型為阻燃型鋼絲繩芯。所配置三臺異步電機的額定功率為1 600 kW，可適應其在復雜工況下的重載啟動需求。所配置制動裝置盤式制動器，具體型號為SHI252，其最大制動力矩為1 000 000 N·m，實際工況所需的最大制動力矩為942 860 N·m；所配置逆止器的具體型號為DSN1000，最大逆止力矩為1 000 000 N·m，實際所需的最大逆止力矩為471 430 N·m。

對于帶式輸送機而言，其可選擇的驅動裝置的類型包括有Y 電機+液力耦合器+減速器、Y 型電機+CST驅動裝置、變頻調速電機+減速器三種方式。綜合考慮上述三種驅動方式的節能性、調速性能以及控制穩定性，選用變頻調速電機+減速器的驅動方式對設備的啟停以及調速進行控制[2]。

本文將在上述對帶式輸送機基本情況進行分析的基礎上，重點對帶式輸送機啟停和功率平衡控制技術進行研究，并進一步研究帶式輸送機對應的變頻系統和配電控制系統。

2 帶式輸送機電氣及變頻系統研究

帶式輸送機穩定啟停及功率平衡功能的實現，必須保證在合理電氣及變頻系統的基礎上。本小節重點對帶式輸送機電氣及變頻系統的功能實現進行研究。

配電系統作為帶式輸送機的動力源，該帶式輸送機配置4 臺電動機（三用一備）。帶式輸送機配電系統主要包括有4 臺電機變頻器柜和低壓配電系統。其中，每臺變頻器柜中均配置了一套交-直-交的變頻裝置，主要實現對帶式輸送機的變頻調速控制；低壓配電系統主要包括有2 臺變壓器柜和11 臺低壓開關柜，其主要功能是實現對帶式輸送機輔機、加熱室以及照明等供電。結合現場的供配電需求，所配置變壓器的具體型號為SG11-315/10/0.4 kV，對應開關柜的具體型號為KYN28-12 型高壓真空開關柜。

同時，為滿足帶式輸送機基本功能要求，在基礎配電系統的支撐下還需保證集中監控和保護功能的實現。

針對帶式輸送機監控和保護功能的需求，實際應用中以PLC 控制器為核心對帶式輸送機運行狀態參數進行實時、精準監測。鑒于工作面相對惡劣的工作環境，本項目以KHP215 保護裝置為核心實現對設備的集中監控和保護，并為其配置了KXJ-1.5/660B 的控制箱，該控制箱包括所屬的本安電源、PLC 控制器和網絡通訊設備等[3]。控制箱所配置的PLC 控制器為S7-300 系列，CPU 模塊為314-2DP。

要求帶式輸送機電氣控制系統實現對輸送機常規運行狀態的監測報警，并對存在超限的情況進行及時保護，對應的電氣控制保護系統控制流程如下頁圖1 所示。

圖1 帶式輸送機電氣控制保護系統程序流程圖

變頻器是實現帶式輸送機變頻調速的核心裝置，結合帶式輸送機的控制需求，配置額定電流為106.2 A，容量為1 563.5 kVA 的變頻器。經選型，配置變頻器的型號為ACS800-07，該變頻器的額定電流為160 A，可承受的最大負載值為2 800 kW。對應的，配置型號為RS3 型熔斷器實現對變頻器的短路保護。

3 帶式輸送機啟停及功率平衡控制

在上述帶式輸送機電氣控制及變頻控制基本功能實現的基礎上，為進一步提升帶式輸送機啟動和停止的穩定性，降低功率不平衡因素，本節重點開展帶式輸送機啟停及功率平衡控制的研究。

對于帶式輸送機的啟動控制，本項目采用S 型加速度曲線進行控制；同時，基于變頻調速控制的理念可保證根據負載的變化對驅動力進行精準控制，誤差可保證在1%之間，從而解決了在重載等負載工況下帶式輸送機啟動造成沖擊和打滑的問題。

對于帶式輸送機的停機控制，分為設備的正常停機和緊急停車，具體內容如下：

1）帶式輸送機正常停機流程：待設備將所運輸貨物完全卸載后變頻器控制電機頻率根據預設的減速曲線從50 Hz 逐步降為零。

2）帶式輸送機緊急停機流程：當設備檢測到打滑、電機超溫、縱向撕裂以及跑偏等故障時，PLC 控制器立即發出停車指令通過變頻器將電機頻率降為零，實現停機操作[4]。

對于帶式輸送機的功率平衡控制，基于PID 算法對電機的實時速度進行監測對比，將分析所得的結果傳遞給逆變器，通過逆變器對各個電機的頻率進行控制，保證各個電機的轉矩和轉速處于同步狀態，即實現帶式輸送機功率平衡的控制。通過試驗表明，當帶式輸送機在實際應用中存在功率不平衡的情況時，基于PID 算法能夠在0.04 s 的時間內對各個電機的轉速和轉矩進行調整控制，最終保證各個電機能夠按照預設定的功率比值運行[5]。

4 結語

帶式輸送機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，設備啟動、停止的穩定性和功率平衡因素直接決定運輸效率和能耗情況。本文重點對帶式輸送機啟停和功率平衡的控制策略進行研究，具體總結如下：

1）采用變頻器為核心的電氣系統能夠滿足帶式輸送機的基本控制功能，并且能夠保證帶式輸送機在復雜工況下穩定啟動，不會對設備及電網造成沖擊；同時，對于正常和緊急停機的控制需求均能夠按照預定曲線實現其功能。

2）基于PID 算法實現對帶式輸送機的功率平衡控制，經實踐表明：當系統功率不平衡因數超限時，系統能夠在0.04 s 極短的時間內完成調整，實現各個電機按照預定比例運行。