喬小娟

（西山煤電斜溝礦，山西 呂梁 033602）

引言

皮帶輸送機承擔(dān)著井下原煤輸送的重要任務(wù)，是煤層正常開采的重要生產(chǎn)設(shè)備[1]。在傳統(tǒng)的皮帶輸送機使用過程中，利用工業(yè)50 Hz 恒頻交流電驅(qū)動皮帶輸送機的運行，利用人工控制皮帶輸送機的運行參數(shù)，供電網(wǎng)絡(luò)提供頻率恒定不變的驅(qū)動電流[2]，當皮帶輸送機在較低負載或空載條件下運行時，供電網(wǎng)絡(luò)不能根據(jù)設(shè)備實際運行工況調(diào)整輸出電流的頻率，部分電能在使用過程中做無用功，并以熱能的形式逸散，造成能源損耗，難以滿足井下皮帶輸送機節(jié)能高效作業(yè)的要求。利用變頻技術(shù)對井下皮帶輸送機的驅(qū)動電流進行變頻控制，根據(jù)設(shè)備負載變化實時調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，提高驅(qū)動電流的工作效率，從而減少皮帶輸送機運輸系統(tǒng)的能源損耗，經(jīng)實踐應(yīng)用表明，變頻節(jié)能技術(shù)能明顯降低皮帶輸送機的能耗，具有一定的使用意義[3]。

1 皮帶輸送機的工作特點

1.1 皮帶輸送機的受力特點

井下煤礦開采時通常采用多機串聯(lián)的方式把工作面開采的原煤沿井下工作面-綜采工作面運輸巷-軌道大巷-主井的運輸路線運至地表進行下一步洗選，皮帶輸送機沿巷道布置，存在一定的傾斜角度，在原煤的運輸過程中，皮帶輸送機主要克服原煤重力，原煤重力沿皮帶輸送機切向方向的分力與皮帶上原煤的質(zhì)量有關(guān)，兩者成正比例關(guān)系。

1.2 皮帶輸送機能耗

皮帶輸送機的能耗與負載率密切相關(guān)，負載率越大，皮帶輸送機的能耗越小，兩者的關(guān)系見圖1，圖1 中K 表示皮帶輸送機負載值與最大負載值的比值，即：

圖1 皮帶輸送機能耗E 與負載率K 之間的關(guān)系

式中：K 為負載率；Ki為皮帶輸送機的實時輸送的原煤質(zhì)量，kg；Kmax為皮帶輸送機輸送原煤質(zhì)量的最大設(shè)計值，kg。皮帶輸送機的能耗E 與負載率K 成反比例關(guān)系，隨著負載率的增加，能耗E 逐漸減少。當負載率K 在0～0.3 范圍內(nèi)變化時，隨著負載率的增加，能耗E快速降低至0.25 kW 左右，當負載率K 在0.3～1 范圍內(nèi)變化時，隨著負載率的增加，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩(wěn)定。因此，當負載率在0～0.3 范圍內(nèi)變化時，皮帶輸送機處于空載或低載荷狀態(tài)，此時能耗值E 較高，驅(qū)動電機的輸出功率大部分做了無用功，不符合設(shè)備高效運行要求。

2 變頻技術(shù)原理

變頻技術(shù)的原理是利用變頻器把工業(yè)恒頻交流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，根據(jù)機械設(shè)備運行的負載情況，動態(tài)調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，當設(shè)備負載較大時，控制系統(tǒng)控制變頻器提高輸出電流的頻率；當設(shè)備負載較小時，控制系統(tǒng)控制變頻器降低輸出電流的頻率，從而使設(shè)備節(jié)能高效運行，避免能源的浪費。變頻技術(shù)機理簡圖見下頁圖2。

如圖2 所示，從供電網(wǎng)絡(luò)輸出的50 Hz 工業(yè)恒頻交流電在整流設(shè)備作用下，變?yōu)?0 Hz 恒頻直流電輸送給變頻設(shè)備，變頻設(shè)備將整流設(shè)備輸送的50 Hz 恒頻直流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電輸送給電動機，驅(qū)動機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)。整流設(shè)備的作用是把供電網(wǎng)路輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，變頻設(shè)備的作用是把整流設(shè)備輸出的恒頻直流電轉(zhuǎn)換為頻率可控的交流電，在完成交-直-交轉(zhuǎn)變的過程中，實現(xiàn)對輸出電流頻率的調(diào)節(jié)控制。

圖2 變頻技術(shù)機理簡圖

3 節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

3.1 皮帶輸送機節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的皮帶輸送機控制過程中，使用50 Hz 恒頻交流電驅(qū)動設(shè)備運轉(zhuǎn)，當皮帶輸送機負荷較低或空載時，驅(qū)動電流不能根據(jù)設(shè)備負載情況調(diào)整輸入電流頻率，造成能源的浪費。把節(jié)能系統(tǒng)植入到皮帶輸送機運行系統(tǒng)中，利用變頻技術(shù)動態(tài)控制皮帶輸送機驅(qū)動電流頻率，當皮帶輸送機空載或負載較低時，及時控制變頻器降低輸出電流頻率。把變頻技術(shù)植入皮帶輸送機運行系統(tǒng)后的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 皮帶輸送機節(jié)能系統(tǒng)

如圖3 所示，圖中1 區(qū)為變頻控制系統(tǒng)，2 區(qū)為皮帶輸送機系統(tǒng)，A 為驅(qū)動電機，B 為皮帶。2 區(qū)內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測皮帶輸送機的承載率，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)分析判斷后，輸出控制信號控制1 區(qū)變頻系統(tǒng)輸出的驅(qū)動電流頻率，動態(tài)調(diào)整驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速。當皮帶輸送機負載較小或空載時，控制系統(tǒng)控制變頻系統(tǒng)降低驅(qū)動電流的頻率，使皮帶輸送機節(jié)能高效運行。

3.2 節(jié)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

在節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)皮帶輸送機的設(shè)備運行特點，選定合理的單位時間原煤運輸量區(qū)間，并明確與原煤運輸量區(qū)間相對應(yīng)的皮帶運行速度。根據(jù)監(jiān)測到的單位時間原煤運輸量，控制變頻系統(tǒng)實時調(diào)整供電網(wǎng)絡(luò)輸出電流的頻率，動態(tài)控制皮帶運輸機運行速度，減少能耗。皮帶輸送機運行速度與電動機功率一一對應(yīng)，在確定皮帶輸送機運行速度后，可查表獲得電動機功率，井下單位時間內(nèi)原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度之間的控制關(guān)系如表1 所示，當井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機單位時間內(nèi)原煤運輸量小于等于Q1時，控制系統(tǒng)控制變頻器實時調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅(qū)動電機帶動下以速度V1恒速運行，當井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機單位時間內(nèi)原煤運輸量在Q1～Q2區(qū)間時，控制系統(tǒng)控制變頻器實時調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅(qū)動電機帶動下以速度V2恒速運行。皮帶輸送機運行過程中，單位時間內(nèi)的原煤運輸量與皮帶輸送機的運行速度成正比，隨著負載量的增大，皮帶輸送機的運行速度逐漸增大。皮帶輸送機的運行速度與驅(qū)動電機的功率相對應(yīng)，當明確了皮帶輸送機的運行速度后查表獲得電動機功率。

表1 單位時間內(nèi)原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度關(guān)系

4 節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用

某礦綜采工作面采用4 臺DSJ80 型皮帶輸送機串聯(lián)方式運輸原煤，皮帶輸送系統(tǒng)功率為6×1 200 kW，每天額定工作時間為19 h。利用變頻技術(shù)對皮帶輸送系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化，在4 臺串聯(lián)的DSJ80 型皮帶輸送機尾端布置監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測井下皮帶輸送機單位時間內(nèi)的原煤運輸量，根據(jù)井下的生產(chǎn)工況和皮帶輸送機的設(shè)備特點，確定單位時間內(nèi)的原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度之間的關(guān)系如表2 所示。

表2 綜采工作面單位時間內(nèi)原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度關(guān)系

由表2 可知，當井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機單位時間內(nèi)原煤運輸量小于等于2 400 t/h 時，控制系統(tǒng)控制變頻器實時調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅(qū)動電機帶動下以速度1.7 m/s 恒速運行；當井下監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到皮帶輸送機單位時間內(nèi)原煤運輸量在2 400～2 900 t/h、2 900～3 400 t/h、3 400～3 900 t/h、3 900～4 400 t/h、4 400～4 900 t/h 時，控制系統(tǒng)控制變頻器實時調(diào)整輸出電流的頻率，使皮帶輸送機在驅(qū)動電機帶動下以相應(yīng)的速度2.2 m/s、2.7 m/s、3.3 m/s、3.7 m/s、4.1 m/s 恒速運行。實現(xiàn)對井下皮帶輸送機運輸量的實時監(jiān)控，并動態(tài)調(diào)整皮帶輸送機的運行速度，降低皮帶輸送機空載或以低載荷運行時的能耗。

利用變頻技術(shù)對該礦綜采工作面采用4 臺DSJ80 型皮帶輸送機進行節(jié)能改造后，井下皮帶輸送機系統(tǒng)的能耗降低了15%，取得較大的經(jīng)濟和社會效益。實踐表明，在皮帶輸送機系統(tǒng)內(nèi)植入變頻節(jié)能系統(tǒng)，能實現(xiàn)對井下皮帶輸送機運輸量的實時監(jiān)控，并動態(tài)調(diào)整皮帶輸送機的運行速度，降低皮帶輸送機空載或以低載荷運行時的能耗，具有一定的使用價值。

5 結(jié)論

1）利用靜力學(xué)原理分析了皮帶輸送機的作用機理，統(tǒng)計分析了皮帶輸送機負載率K 和能耗E 之間的關(guān)系，當負載率K 在0～0.3 范圍內(nèi)變化時，能耗E 快速降低至0.25 kW 左右；當負載率K 在0.3～1 范圍內(nèi)變化時，能耗E 緩慢降低至0.15 kW 左右，最終趨于穩(wěn)定。

2）闡述了變頻節(jié)能技術(shù)機理，根據(jù)變頻技術(shù)機理和皮帶輸送機運行特點，設(shè)計了皮帶輸送機變頻節(jié)能系統(tǒng)，明確了單位時間內(nèi)原煤運輸量與皮帶輸送機運行速度的對應(yīng)關(guān)系。

3）利用變頻節(jié)能系統(tǒng)對某礦綜采工作面的皮帶輸送機進行節(jié)能改造，結(jié)果表明：變頻節(jié)能技術(shù)降低了皮帶輸送機運輸系統(tǒng)15%的能耗，具有一定的使用價值。