呂育民

（唐山開灤鐵拓重型機(jī)械制造有限責(zé)任公司，河北 唐山 063103）

眾所周知，皮帶機(jī)廣泛使用于我國(guó)的礦山、煤炭等行業(yè)部門，是它們實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的關(guān)鍵性設(shè)備之一，肩負(fù)著礦井等上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據(jù)其輸送工藝具體要求，筆者總結(jié)出它既可以單臺(tái)輸送，也可以多臺(tái)組成或與其他輸送設(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng)，以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要。而隨著這種作業(yè)形式的強(qiáng)勁發(fā)展，礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)在我國(guó)礦山機(jī)電設(shè)備中也有了廣泛發(fā)展，它能有效降低礦山企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，更能有效避免事故的發(fā)生和延長(zhǎng)皮帶機(jī)的使用壽命。

1 礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)介紹

礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)，是采用高性能矢量控制型變頻器驅(qū)動(dòng)主電機(jī)，通過(guò)各類傳感器采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，配合控制系統(tǒng)完成所有的工藝控制和保護(hù)功能。它主要由主控臺(tái)、變頻柜、電源柜等組成，安放于控制室內(nèi)。司機(jī)可操作控制臺(tái)上的轉(zhuǎn)換開關(guān)及控制按鈕來(lái)控制皮帶機(jī)的運(yùn)行，并通過(guò)指示燈、儀表、及人機(jī)界面了解皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)。

它的主要控制單元是變頻調(diào)速柜，采用知名品牌的全數(shù)字、矢量控制型變頻器作為主控原件，通過(guò)軸編碼器的數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)高精確度的速度和力矩控制。同時(shí)完成對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速等控制過(guò)程，與主控臺(tái)等單元共同構(gòu)成全數(shù)字、高性能的礦用皮帶機(jī)變頻電控系統(tǒng)。這其中主控臺(tái)是系統(tǒng)的控制中樞，通過(guò)操作人員的操作，可完成對(duì)皮帶機(jī)的所有控制。通過(guò)操作面板和觸摸屏的操作，可對(duì)控制方式和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，監(jiān)視輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。而電源柜采用雙獨(dú)立的雙柜電源接入方式，可靠的保障了生產(chǎn)的連續(xù)性。同時(shí)向變頻柜、主控臺(tái)進(jìn)行饋電。完善的過(guò)電流、短路、欠電壓保護(hù)功能，使設(shè)備運(yùn)行安全。具體如下圖所示：

礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)裝置示意圖

2 礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)工作原理

礦用皮帶機(jī)系統(tǒng)工作原理是充分利用單片機(jī)與大規(guī)模CPLD之間的互補(bǔ)性。將此兩類器件相結(jié)合的電路運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的皮帶運(yùn)輸機(jī)保護(hù)控制中，CPLD負(fù)責(zé)采集信號(hào)及預(yù)處理，單片機(jī)做數(shù)據(jù)運(yùn)算、判斷等，實(shí)現(xiàn)高性能的微機(jī)模式。通過(guò)配用不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)膠帶運(yùn)輸機(jī)的低速、堆煤等，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警及自動(dòng)灑水，同時(shí)具備沿線電鈴信號(hào)自動(dòng)打點(diǎn)停車功能。

3 礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)特征

根據(jù)筆者多年來(lái)工作心得可知道，礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)沿線保護(hù)、各類溫度保護(hù)、張緊裝置、變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)的集中統(tǒng)一控制，使皮帶機(jī)原來(lái)各自獨(dú)立部分整合為一個(gè)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性。它還可利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的監(jiān)控，可以提高電控系統(tǒng)的可靠性，降低成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間互連使信息共享，并且控制系統(tǒng)擴(kuò)展容易、維護(hù)方便。在控制箱觸摸屏方面實(shí)現(xiàn)漢化界面，各種狀態(tài)顯示一目了然，便于現(xiàn)場(chǎng)人員隨時(shí)了解系統(tǒng)的狀態(tài)及故障原因。

4 礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)控制方案

多年來(lái)，筆者在工作中對(duì)其控制方案方面做了大量嘗試性工作，取得了較好的效果。現(xiàn)就其皮帶機(jī)由多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)方式總結(jié)如下。

在實(shí)際工作中由于各電機(jī)輸出是通過(guò)皮帶耦合在一起的，需要考慮協(xié)調(diào)控制問(wèn)題。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，對(duì)于滑差0.01的電機(jī)，變頻器輸出頻率相差0.2%時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，在輕載時(shí)，變頻器少量的輸出頻率差別，還會(huì)導(dǎo)致輸出頻率較低的變頻器進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生過(guò)壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各電機(jī)出力。

5 礦用皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)改造

5.1 變頻系統(tǒng)改造。根據(jù)筆者具體工作分析可以知道，下行皮帶機(jī)在運(yùn)行時(shí)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)運(yùn)行在四個(gè)象限內(nèi)，這就需要驅(qū)動(dòng)用變頻器是四象限帶能量回饋型變頻器。同時(shí)根據(jù)皮帶機(jī)的工作情況，需要變頻器能夠在電機(jī)帶載啟動(dòng)、空載啟動(dòng)或是停機(jī)時(shí)能夠輸出直流制動(dòng)力矩，以保證皮帶機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)、停止，減小機(jī)械沖擊。

同時(shí)，為使該皮帶機(jī)同軸的兩臺(tái)電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，在變頻改造中采用同軸的兩臺(tái)電機(jī)的兩套逆變單元公用直流母線、統(tǒng)一控制指令，公用一套整流單元和回饋單元。這樣控制系統(tǒng)檢測(cè)控制兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使之達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡，徹底解決扭震、共振等問(wèn)題。為使整個(gè)皮帶機(jī)系統(tǒng)達(dá)到同步，在此筆者建議，可以將所有變頻單元里的直流母線共同連接，將控制系統(tǒng)設(shè)成主從控制；系統(tǒng)檢測(cè)所有電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)運(yùn)算后控制各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到統(tǒng)一平衡，從而實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡和速度同步。將所有變頻單元的直流母線連接在一起，還可以實(shí)現(xiàn)變頻器內(nèi)部整流單元、逆變單元和回饋單元的冗余連接。當(dāng)某一個(gè)整流或回饋單元發(fā)生故障時(shí)，可以由其他的整流和回饋單元來(lái)完成整流和回饋功能。

5.2 改造之后運(yùn)行效果及分析。

經(jīng)過(guò)上述事例的改造，筆者認(rèn)為它真正實(shí)現(xiàn)了礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)變頻系統(tǒng)的軟起動(dòng)。通過(guò)電機(jī)的慢速起動(dòng)，帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢起動(dòng)，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中形成的張力波極小，幾乎對(duì)皮帶不造成損害。這是其一。

其二，降低了設(shè)備的維護(hù)量。我們都知道，變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械的壽命轉(zhuǎn)化為電子的壽命，壽命很長(zhǎng)，大大降低設(shè)備維護(hù)量。利用變頻器的軟起動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中對(duì)機(jī)械基本無(wú)沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部分的檢修量。相應(yīng)的降低了維修費(fèi)用。

其三，節(jié)約了能源。我們由電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性知道，電機(jī)只有在接近滿載時(shí)效率才是最高、功率因數(shù)最佳，輕載時(shí)則降低，造成不必要的電能損失。這是因?yàn)楫?dāng)輕載時(shí)，定子電流有功分量很小，主要是勵(lì)磁的無(wú)功分量，因此功率因數(shù)很低。采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，在整個(gè)過(guò)程中功率因數(shù)達(dá)0.9以上，大大節(jié)省了無(wú)功功率。

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