任廣玉

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

刮板輸送機(jī)是煤礦工作面上重要設(shè)備之一,承擔(dān)著運(yùn)煤任務(wù)和為采煤機(jī)提供運(yùn)行軌道以及為液壓支架提供推移支點(diǎn)，其工作性能對開采有著很大的影響，傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足如今的驅(qū)動要求，此前眾多學(xué)者對刮板輸送機(jī)的驅(qū)動裝置進(jìn)行過一定的研究，但多是對驅(qū)動裝置工作性能進(jìn)行研究，對系統(tǒng)的優(yōu)化研究較少，因此筆者以屯蘭礦采用的SGZ880/800型刮板輸送機(jī)為研究背景，對刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動進(jìn)行研究，為刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)優(yōu)化改造提供參考[1]。

1 刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動設(shè)計(jì)

(1) 刮板機(jī)驅(qū)動簡介

刮板輸送機(jī)作為煤礦綜采工作面的重要機(jī)電設(shè)備，主要由機(jī)頭、機(jī)尾、刮板鏈、刮板、中部槽等構(gòu)成，在刮板輸送機(jī)的機(jī)頭及機(jī)尾部位安裝有控制器，用于機(jī)尾、機(jī)頭的電機(jī)控制。刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動鏈輪，使得刮板鏈條與鏈輪嚙合沿中部槽周轉(zhuǎn)運(yùn)動，將采煤機(jī)截割的煤塊進(jìn)行運(yùn)送，直至到達(dá)井上。常見的刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式主要有液力耦合器驅(qū)動、CST驅(qū)動及變頻驅(qū)動。變頻驅(qū)動是通過控制器控制變頻器的工作模式、目標(biāo)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、控制指令及驅(qū)動方向等參數(shù)，驅(qū)動電機(jī)按照設(shè)定的驅(qū)動曲線實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)帶載及空載啟動，且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)帶速的調(diào)整[2]。

(2) 變頻控制分析

交流三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

n0=60f1/p

式中：f1為交流三相異步電機(jī)頻率，Hz；n0為交流三相異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min；p為交流三相異步電機(jī)極對數(shù)，定值。

可以看出交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率為正相關(guān)，所以調(diào)節(jié)電機(jī)頻率可以達(dá)到調(diào)速的目的。交流三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率表達(dá)公式為：

s=(n0-n)/n0

式中：n為交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，所以可以表示出交流三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p，可以看出交流三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)及頻率有著很大的關(guān)系，而由于同一電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率及極對數(shù)為定值，所以改變供電的頻率可以有效調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[3]。

原有驅(qū)動方式下極遇到啟動困難，機(jī)械損耗嚴(yán)重等問題，在采用變頻驅(qū)動后可有效降低機(jī)頭、機(jī)尾的啟動電流，避免出現(xiàn)急起急停的問題，刮板輸送機(jī)啟動變頻控制模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)啟動變頻控制模型

由上圖所示，刮板輸送機(jī)的驅(qū)動電機(jī)的功率參數(shù)相同，將機(jī)頭電機(jī)1、2作為等效電機(jī)1。電機(jī)的機(jī)頭機(jī)尾分別由各自的變頻器進(jìn)行控制，當(dāng) PLC控制器收集到機(jī)頭機(jī)尾的電流信號后，識別出刮板輸送機(jī)負(fù)載情況，從而達(dá)到分別控制效果。

(3) 變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻器驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)主要依賴于PLC控制系統(tǒng)，所以對PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動至關(guān)重要，文中選定DX-MA01控制器作為刮板輸送機(jī)啟動變頻驅(qū)動優(yōu)化的核心部件，其具有高度集成、輸入輸出端口多、直接驅(qū)動開關(guān)閥、電壓比例閥等優(yōu)點(diǎn)。DX-MA01控制器采用TC1796 32位處理器，采樣的頻率為150 MHz，控制器的內(nèi)存為4Mbyte+80Kbyte，端口可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)的部分I/O分配如表1所列。

表1 啟動過程變頻驅(qū)動優(yōu)化方案I/O分配表

系統(tǒng)的電流傳感器選定為CSNR16I，CSNR16I電流傳感器能夠在井下多粉塵、潮濕及惡劣環(huán)境中使用，其擁有電流范圍廣、響應(yīng)速度快及傳輸精度高的優(yōu)點(diǎn)。速度傳感器選定為NJ4-12GM40-E，速度傳感器的工作電壓在DC24V±10%范圍內(nèi)，工作的持續(xù)電流為200 mA，該傳感器為三線制電感傳感器[4]。圖2為變頻直接轉(zhuǎn)矩平衡控制圖。

圖2 變頻直接轉(zhuǎn)矩平衡控制圖

2 變頻控制系統(tǒng)分析及優(yōu)化

(1) 系統(tǒng)分析

對SGZ880/800型刮板輸送機(jī)的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，刮板輸送機(jī)啟動過程的控制采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)如圖2所示。

電流i1和i2是刮板輸送機(jī)機(jī)頭及機(jī)尾的定子電流，能夠有效反映出機(jī)頭機(jī)尾的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化情況，通過負(fù)載轉(zhuǎn)矩與額定值的偏差來實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而達(dá)到機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率平衡。為了保證刮板輸送機(jī)啟動時(shí)能夠沿著給定速度曲線運(yùn)動，對機(jī)頭機(jī)尾的電動機(jī)啟動順序及啟動時(shí)間進(jìn)行精確控制，進(jìn)一步改善機(jī)頭機(jī)尾啟動時(shí)電動機(jī)功率不平衡問題[5]。

(2) 優(yōu)化分析

對優(yōu)化設(shè)計(jì)后的空載及重載下機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、3所列。

表2 空載機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值

表3 重載機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值

可以看出，在剛啟動刮板輸送機(jī)時(shí)，此時(shí)的機(jī)頭機(jī)尾最大張力值與啟動時(shí)間有著很大的關(guān)系，同時(shí)調(diào)節(jié)啟動時(shí)間差可以降低機(jī)頭機(jī)尾的功率差，當(dāng)啟動時(shí)間差為3 s時(shí)，此時(shí)機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率差僅為0.440 2 kW，優(yōu)化效果明顯。

在統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)，隨著啟動時(shí)間差的增大，機(jī)頭的最大張力呈現(xiàn)減小的趨勢，而機(jī)尾的張力逐步增大，所以適當(dāng)選定啟動時(shí)間差可以有效降低機(jī)頭機(jī)尾最大張力差值，本文選定啟動時(shí)間差10 s時(shí)機(jī)頭機(jī)尾最大張力差最小。同時(shí)在重載情況下，增大啟動時(shí)間差對機(jī)頭機(jī)尾功率差影響較大，當(dāng)啟動時(shí)間差為8 s時(shí)，此時(shí)的機(jī)頭機(jī)尾功率差最小僅為4.09 kW，所以在重載條件下，增加機(jī)頭機(jī)尾的啟動時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾功率的平衡。

對刮板輸送機(jī)穩(wěn)態(tài)過程中的變頻驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)刮板輸送機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率協(xié)調(diào)控制圖如圖3所示。

圖3 機(jī)頭機(jī)尾電動機(jī)功率協(xié)調(diào)控制圖

如圖3所示，當(dāng)機(jī)頭實(shí)際的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為T1，機(jī)尾實(shí)際的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩為T2，此時(shí)可以得出機(jī)頭機(jī)尾的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值為Δ，當(dāng)機(jī)頭機(jī)尾實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值Δ>0時(shí)，此時(shí)代表機(jī)頭電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩較大，適當(dāng)降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)矩，降低機(jī)頭電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到平衡機(jī)頭機(jī)尾轉(zhuǎn)矩。當(dāng)機(jī)頭機(jī)尾實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩差值Δ<0時(shí)，此時(shí)代表機(jī)尾的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩偏大，適當(dāng)降低機(jī)尾的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，降低機(jī)尾電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 語

為提升刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動的安全性及穩(wěn)定性，對刮板輸送機(jī)的變頻驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化分析，同時(shí)對空載、重載條件下，機(jī)頭機(jī)尾功率差值及最大張力值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)啟動時(shí)間差可以降低機(jī)頭機(jī)尾的功率差，當(dāng)啟動時(shí)間差為3 s時(shí)，此時(shí)的機(jī)頭機(jī)尾電機(jī)功率差僅為0.440 2 kW，同時(shí)在重載條件下，增加機(jī)頭機(jī)尾的啟動時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾功率的平衡。驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性，為刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動提供一定的參考依據(jù)。