蒿宇升

(白洞礦業(yè)公司，山西 大同 037000)

0 引言

帶式輸送機是煤礦運輸系統(tǒng)中運輸散裝物料的重要設(shè)備，其具有速度快、功率大的特點。隨著煤礦綜采設(shè)備的發(fā)展，帶式輸送機已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)能要求。傳統(tǒng)的帶式輸送機不能進行速度調(diào)節(jié)，電機需要頻繁啟動，可能導(dǎo)致電機功率不平衡等問題，使得機電工作人員的維修工作頻繁。因此對帶式輸送機進行變頻技術(shù)改造，提高其自動化水平對提升煤礦的生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 帶式輸送機變頻調(diào)速原理

帶式輸送機大多采用異步電機驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速n與電源頻率f、電機轉(zhuǎn)差率s和電機極對數(shù)p的關(guān)系為：

(1)

由式(1)可以看出異步電動機的轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率成正比，帶式輸送機的變頻調(diào)速原理正是基于此，通過變頻器將工頻交流電轉(zhuǎn)化成頻率可變的交流電，若檢測到帶式輸送機煤量增大，則提高變頻器輸出電壓的頻率以提高帶速；若檢測到帶式輸送機煤量減少，則降低變頻器輸出電壓的頻率以降低帶速。變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用使得帶式輸送機的帶速可控，提高了其工作效率。

帶式輸送機的變頻調(diào)速系統(tǒng)包括變頻電路、控制電路、傳感電路和電源電路等部分。變頻電路是主電路，一般采用“交-直-交”結(jié)構(gòu)，通過整流電路將50 Hz交流電整流為直流電，將能量存儲在由電容器構(gòu)成的直流中間電路中，由逆變電路將直流中間電路的直流電逆變?yōu)轭l率、電壓都可控制的交流電，圖1為其簡化原理圖。控制電路在對傳感器電路返回的信號進行運算處理后，對整流電路和逆變電路的可控器件進行控制，根據(jù)當(dāng)前帶式輸送機正常運行時的工作狀態(tài)適時調(diào)整逆變頻率，在空載和異常狀態(tài)，發(fā)出停機控制信號和報警信號。傳感電路包括測量電機轉(zhuǎn)速的傳感器、測量變頻器輸出的電壓傳感器和電流傳感器及其信號轉(zhuǎn)換、處理電路等。電源電路對控制電路中的主控制器、ADC芯片等各類芯片、傳感器進行供電。

圖1 “交-直-交”型變頻器原理圖

2 帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于傳統(tǒng)的帶式輸送機采用異步電機拖動，即CST驅(qū)動裝置，因此目前很多企業(yè)對帶式輸送機的變頻技術(shù)改造都是基于異步電動機的。目前最先進的變頻調(diào)速技術(shù)采用永磁同步電機調(diào)速，與異步電機變頻調(diào)速相比，硬件上具有較大程度的改進，省去了很多硬件裝置，是未來變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向。

2.1 CST驅(qū)動裝置

CST驅(qū)動裝置包括一整套液力耦合器、異步電動機、減速器和油冷裝置，最初的電動機控制采用繼電器和接觸器的組合，這種控制方式比較落后，已經(jīng)被淘汰，目前機電一體化技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一種控制器是PLC，圖2為基于PLC的異步變頻驅(qū)動系統(tǒng)電氣連接示意圖。該系統(tǒng)采用PLC對變頻器進行控制，變頻器向異步電動機供電，異步電動機依次通過液力耦合器、減速器和滾筒進行轉(zhuǎn)矩傳動，帶式輸送機依靠滾筒的摩擦力進行運動。

圖2 基于PLC的異步變頻驅(qū)動系統(tǒng)電氣連接示意圖

2.2 永磁同步變頻驅(qū)動裝置

圖3為基于永磁同步電機的帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣連接示意圖。變頻器從移動變壓器取電后，直接輸出幅值、頻率可控的電壓給永磁同步電機使用，省去了CST驅(qū)動裝置中的液力耦合器、減速器、油冷等裝置，電動機經(jīng)滾筒直接驅(qū)動膠帶，使得機頭的體積大幅度減小，機頭的共振和噪聲隨之減小，由于油冷裝置的風(fēng)扇、泵和加熱器等需要消耗能源，因此該結(jié)構(gòu)效率更高，成本更低，發(fā)生故障的概率也降低，減少了維修成本。

圖3 永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)電氣連接示意圖

3 帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計

無論硬件結(jié)構(gòu)是CST驅(qū)動裝置還是永磁同步驅(qū)動裝置，帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路都是相類似的，都是基于煤量識別的調(diào)速系統(tǒng)。圖4為一種典型的帶式輸送機變頻調(diào)速軟件流程。程序開始后，首先進行初始化，對各外圍硬件和保護裝置進行自檢，同時對變量和定時器初始化；初始化完成后啟動帶式輸送機，之后接收傳感器的數(shù)據(jù)，并對當(dāng)前載荷進行判斷，如果輕載則降低頻率和速度，如果重載則提高頻率和速度；在轉(zhuǎn)速降低或升高到一定閾值后，啟動保護動作，防止帶式輸送機空載運行或過載運行。帶式輸送機常用的保護有防滑保護、煙霧保護、速度保護和縱撕保護等，只有將上述保護全部解除后才能再次正常啟動帶式輸送機。

圖4 典型的帶式輸送機變頻調(diào)速軟件流程

4 應(yīng)用效果分析

(1)實現(xiàn)了主驅(qū)動電機的軟啟動。電機在啟動時的電流很大，若皮帶機在啟動過程中時間很長(一般為55 s)，電網(wǎng)在此期間經(jīng)受較大的沖擊，同時電網(wǎng)中的其他電氣設(shè)備也可能遭受損傷。在對帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)進行變頻方案改造以后，當(dāng)電機啟動時，轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到兩倍額定轉(zhuǎn)矩，變頻器內(nèi)的熱量也能得到有效控制，以此提高了電機和滾筒的使用壽命。

(2)實現(xiàn)了多電機驅(qū)動的功率平衡。多電機同時驅(qū)動帶式輸送機時，如果電機的轉(zhuǎn)速不一致，功率會出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致帶式輸送機的機械部分諸如減速器、滾筒和托輥等出現(xiàn)振動，降低其壽命。

(3)降低了帶式輸送機的維修成本。采用變頻技術(shù)對帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)進行改造后，輸送帶的轉(zhuǎn)速得以大幅度降低，膠帶和電機的機械損耗也變少了，維修人員工作量下降。

(4)節(jié)約電能。變頻器輸出的電壓諧波小，對電網(wǎng)注入的電流諧波小，因此相比變頻改造之前功率因數(shù)更高。傳送帶的速度可根據(jù)煤量傳感器檢測的煤量調(diào)整，根據(jù)實際工作經(jīng)驗，改造后的輸送帶70%時間內(nèi)處于低速運轉(zhuǎn)，電能節(jié)約在36%以上。

5 結(jié)束語

對帶式輸送機進行變頻技術(shù)改造是目前煤礦企業(yè)流行的方案，采用變頻調(diào)速技術(shù)配合煤量識別技術(shù)后，帶式輸送機能夠避免“大馬拉小車”，在膠帶空載的時候?qū)㈦姍C的轉(zhuǎn)速降低，能夠節(jié)省電費和避免機械損耗，對企業(yè)提效降耗具有實際意義。