蘆國宏

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦綜采一隊(duì)， 太原 古交 030203）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤工藝及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提升，傳統(tǒng)的低速、小運(yùn)量以及短距離的帶式輸送機(jī)已不能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，未來帶式輸送機(jī)將朝著大運(yùn)量、長距離、高速度的方向發(fā)展[1]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，帶式輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)量常在滿載、空載以及輕載等狀態(tài)下波動(dòng)，而其運(yùn)速與運(yùn)量存在極度不匹配，造成了系統(tǒng)能量極大的損失。為了解決長距離、大運(yùn)量、多電機(jī)帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中帶速與運(yùn)量不匹配以及在啟動(dòng)階段功率不平衡的問題，在設(shè)備控制系統(tǒng)中引入基于耦合補(bǔ)償和變頻調(diào)速的控制策略。

1 帶式輸送機(jī)概述

本文所研究帶式輸送機(jī)為頭尾雙驅(qū)型，該類型帶式輸送機(jī)包含有兩個(gè)電機(jī)，主要由輸送帶、驅(qū)動(dòng)裝置、滾筒、托輥以及拉緊裝置等組成。帶式輸送機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段和運(yùn)行階段的變頻節(jié)能調(diào)速策略的設(shè)計(jì)，需掌握該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及特性，旨在通過節(jié)能調(diào)速策略解決啟動(dòng)階段的功率平衡問題和運(yùn)行階段運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的問題[2]。

一般情況下，綜采工作面的輸送機(jī)分為帶式輸送機(jī)和刮板輸送機(jī)。本文將以鎮(zhèn)城底礦使用的帶式輸送機(jī)為研究對象。輸送帶主要包括有外部覆蓋層、中間骨架、隔離層三部分。為確保其能適應(yīng)工作面的生產(chǎn)需求，輸送帶須具備良好的靜特性、動(dòng)特性以及黏彈性。其中，動(dòng)特性作為其在工作中所體現(xiàn)的性能需滿足滯后特性、蠕變特性、松弛特性以及頻率特性。目前，在眾多的黏彈性模型中以Voigt模型最為能夠體現(xiàn)輸送帶實(shí)際的黏彈性。因此，本文在建模中采用Voigt模型進(jìn)行仿真建模。

2 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段節(jié)能策略的設(shè)計(jì)

對于雙電機(jī)帶式輸送機(jī)而言，在眾多因素共同影響的作用下各個(gè)電機(jī)不可避免地出現(xiàn)了功率不平衡的問題。啟動(dòng)階段帶式輸送機(jī)功率不平衡問題不僅會(huì)造成電機(jī)的燒毀和驅(qū)動(dòng)裝置的磨損，還會(huì)造成能量的損失。

造成雙電機(jī)帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段出現(xiàn)各電機(jī)功率不平衡問題的因素包括有靜態(tài)因素和動(dòng)態(tài)因素。其中，靜態(tài)因素為帶式輸送機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)等；動(dòng)態(tài)因素包括有其在運(yùn)行過程中所承受的阻力及其電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，阻力與設(shè)備的運(yùn)量相關(guān)，而電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與所選電機(jī)的型號相關(guān)[3]。

鑒于相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)在其設(shè)計(jì)初期已經(jīng)完全確定。因此，對于雙電機(jī)在運(yùn)行過程中功率不平衡問題僅能通過改變調(diào)節(jié)供電頻率解決，即采用變頻調(diào)速策略。

帶式輸送機(jī)啟動(dòng)階段功率不平衡問題是通過采用耦合補(bǔ)償?shù)乃悸方鉀Q。耦合補(bǔ)償系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備中兩個(gè)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)存在一定的差異性時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給予一定的補(bǔ)償。通過上述策略對帶式輸送機(jī)控制器進(jìn)行雙向補(bǔ)償，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步奠定基礎(chǔ)。控制策略結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

基于上述控制策略，控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)掌握兩電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)值，進(jìn)而判斷電機(jī)的狀態(tài)。當(dāng)一臺電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)，另一臺為電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需對比兩臺電機(jī)的負(fù)載率。其中，當(dāng)發(fā)電狀態(tài)電機(jī)的功率大于電動(dòng)狀態(tài)電機(jī)的功率時(shí)，即為帶式輸送機(jī)帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)需制動(dòng)力，通過減小電動(dòng)狀態(tài)電機(jī)的頻率后才可進(jìn)行功率平衡控制。反之，帶式輸送機(jī)需牽引力，需增加電動(dòng)狀態(tài)電機(jī)的頻率后才可進(jìn)行功率平衡控制。

圖2 帶式輸送機(jī)電機(jī)功率平衡策略

3 帶式輸送機(jī)運(yùn)行階段節(jié)能策略的設(shè)計(jì)

針對帶式輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中存在帶速與運(yùn)量不匹配所造成能量浪費(fèi)的問題，在實(shí)際生產(chǎn)中可采用減電機(jī)運(yùn)行、異步電機(jī)Y-Δ接法變化、降電壓以及變頻調(diào)速解決。其中，減電機(jī)運(yùn)行不適用于大運(yùn)量、長距離帶式輸送機(jī)的運(yùn)行；異步電機(jī)Y-Δ接法變化盡管應(yīng)用相對成熟，但是其節(jié)能效果有限；降電壓技術(shù)相對復(fù)雜[4]。

綜上所述，可采用變頻調(diào)速的策略實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行階段帶速與運(yùn)量相匹配，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果[5]。目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對頻繁且應(yīng)用范圍相對廣泛，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速、過載保護(hù)、過流保護(hù)等。變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n為輸送機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，f為輸送機(jī)電機(jī)的頻率，s為輸送機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p為輸送機(jī)電機(jī)的極數(shù)。由式（1）可知，通過調(diào)整電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對輸送機(jī)帶速的調(diào)節(jié)。

經(jīng)研究可知，帶式輸送機(jī)運(yùn)量和帶速是影響輸送機(jī)功率的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中帶式輸送機(jī)帶速并不能夠根據(jù)其實(shí)時(shí)運(yùn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到最節(jié)能的效果。為此，設(shè)計(jì)如式（2）所示的節(jié)能策略。

在實(shí)際情況中帶式輸送機(jī)不可能頻繁啟停，因此設(shè)定當(dāng)其運(yùn)量為0時(shí)，帶式輸送機(jī)以最小的速度運(yùn)行?？傻萌鐖D3所示的運(yùn)量與運(yùn)速之間的關(guān)系曲線。

圖3 帶式輸送機(jī)運(yùn)量與運(yùn)速的關(guān)系曲線

綜上所述，基于上述運(yùn)速與運(yùn)量相匹配的思想實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的節(jié)能改造，不僅能夠提升帶式輸送機(jī)輸送效率，還能夠降低帶式輸送機(jī)的能耗。

4 結(jié)語

基于耦合補(bǔ)償策略可實(shí)時(shí)監(jiān)測各電機(jī)的運(yùn)行狀況并對電機(jī)的運(yùn)行功率進(jìn)行調(diào)整；基于變頻調(diào)速策略系統(tǒng)可根據(jù)輸送帶的實(shí)時(shí)運(yùn)量對其帶速進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，確保帶速與運(yùn)量的相匹配，避免能量的浪費(fèi)。