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        變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)在煤礦帶式輸送機上的運用

        2023-10-14 02:52:56陳龍龍
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年23期
        關(guān)鍵詞:變頻器設(shè)計

        陳龍龍

        (國能蒙西煤化工股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)營科,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯)

        煤礦帶式輸送機在運行時,會在空載、輕載、滿載等多種狀態(tài)下不斷變換。由于目前多數(shù)帶式輸送機都是采取恒頻定速控制,運量發(fā)生改變后帶速仍然維持原樣,容易出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況,造成能量的浪費。為了響應(yīng)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展的號召,必須要將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到煤礦帶式輸送機上,通過實時監(jiān)測當前的運量和帶速,根據(jù)程序運算判斷兩者是否為最佳匹配;如果不匹配,則利用變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速,使兩者重新恢復(fù)最佳匹配,讓帶式輸送機在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上始終維持低能耗運行。

        1 帶式輸送機變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

        本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)由檢測模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3 部分構(gòu)成,核心設(shè)備有帶速傳感器、PLC 控制器、變頻調(diào)速器等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        系統(tǒng)的檢測功能由輸送機皮帶秤和帶速傳感器共同實現(xiàn),前者負責(zé)采集運量信號,后者負責(zé)采集帶速信號,收集到的信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字信號送入PLC 中。PLC 控制器順利接收檢測信號后,利用內(nèi)置程序完成智能判斷,并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出控制指令,執(zhí)行模塊的變頻器根據(jù)控制指令改變電動機的電壓,實現(xiàn)電機啟停、功率平衡、速度與頻率調(diào)節(jié)等多項控制功能[1]。使用變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)后,可以讓運量與帶速兩個變量之間始終維持最佳匹配關(guān)系,從而兼顧效率與節(jié)能,讓帶式輸送機以最佳工況運行。

        2 變頻調(diào)速節(jié)能控制器的設(shè)計與選型

        2.1 雙CPU 冗余技術(shù)

        PLC 控制器是變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的核心,除了中央處理器(CPU)外,還包括存儲器、I/O 接口、電源等??紤]到帶式輸送機的運行環(huán)境復(fù)雜,為了保證控制系統(tǒng)的可靠性與安全性,本文在設(shè)計中采用了雙CPU 冗余技術(shù)。同時,每一臺CPU 使用獨立的電源供電和獨立的通信模塊,兩臺CPU 一主一備,提高了系統(tǒng)的容錯能力。其中一臺CPU 作為主控系統(tǒng),對全部設(shè)備進行監(jiān)控;另一臺CPU 作為備控系統(tǒng),同步監(jiān)測主控制系統(tǒng)的運行[2]。當監(jiān)測到主控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常后,立即切換至備控系統(tǒng),確保帶式輸送機的正常使用。在CPU 的選型上,選用了羅克韋爾公司生產(chǎn)的ACN15 型可編程控制器,通過局域網(wǎng)與前端設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

        2.2 節(jié)能控制器設(shè)計

        本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計的帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng),是由PLC 根據(jù)負載變化不斷調(diào)節(jié)變頻器的電源頻率,在滿足帶式輸送機運行需要的前提下最大程度的降低能源消耗。PLC 控制器的程序設(shè)計如下:

        (1) 主控制程序。PLC 主程序能夠?qū)崿F(xiàn)從起車預(yù)警、保護自檢,到數(shù)據(jù)檢測和變頻調(diào)速等整個過程的控制。在帶式輸送機啟動后,通過保護自檢判斷車機工況是否正常。如果檢測到異常,則直接報警;如果未檢測到異常,則車機正常啟動。主控制程序如圖2所示。

        圖2 PLC 主控制流程圖

        (2) 啟動預(yù)警程序。此程序的功能是實現(xiàn)開車預(yù)警,系統(tǒng)在接收到啟動指令后,隨即運行啟動預(yù)警程序,依次進行兩個判斷程序“保護自檢是否正常?”“制動閘是否松閘?”如果自檢異常,則進行聲光報警,同時禁止啟動;同樣的,如果檢測到制動閘未松閘,則立即松閘。然后油泵上電啟動,并檢測油泵是否正常。在油泵正常運行后,選擇風(fēng)扇啟動模式,有“手動”和“自動”兩種模式,選擇對應(yīng)模式后啟動風(fēng)扇[3]。完成上述自檢程序后,變頻器投入運行。

        (3) 帶速和煤量測量程序。帶速和煤量是帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng)的2 個關(guān)鍵輸入量,前端傳感器將采集到的帶速和煤量2 種模擬信號輸入到PLC 控制器中,由PLC 完成數(shù)據(jù)計算、分析,根據(jù)預(yù)設(shè)程序輸出模擬信號,變頻器接收該信號后調(diào)控電機轉(zhuǎn)速。帶速和煤量的測量與PLC 控制程序如圖3 所示。

        圖3 帶速和煤量測量控制流程圖

        除了上述主要程序外,帶式輸送機變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)的程序還有功率平衡控制程序、節(jié)能調(diào)速控制程序、制動停車控制程序、聯(lián)鎖互鎖控制程序等。

        3 變頻調(diào)速裝置設(shè)計

        3.1 變頻調(diào)速原理

        變頻器(VFD)根據(jù)直流工作回路的不同,可以分為電壓型和電流型兩種類型,本文基于帶式輸送機的運行特點和控制需要,選擇電流型變頻器。其結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波模塊、整流模塊、直流濾波模塊、制動模塊和逆變模塊等。其中,輸入和輸出濾波模塊的功能是抑制變頻器對系統(tǒng)中其他電氣設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾恒流模塊可以改變電壓與頻率,使交流電變成直流電;轉(zhuǎn)換后的直流電存在高次諧波,因此在設(shè)計變頻調(diào)速裝置時還加入了直流濾波模塊,能夠消除高次諧波、抑制電流脈動。變頻調(diào)速原理如下:

        交流電動機的轉(zhuǎn)速(v)與電源頻率(F)、電動機轉(zhuǎn)差率(n)和電動機的極對數(shù)(m)有關(guān),計算公式如下:

        結(jié)合上式可知,要想調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,可以從電動機的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、極對數(shù)3 方面做出調(diào)整。其中,轉(zhuǎn)差率和定子繞組的極對數(shù)在電動機出廠時已經(jīng)確定,無法改變;只能調(diào)節(jié)電源頻率來改變電動機的同步轉(zhuǎn)速[4]。基于此,本文提出了一種V/F 比恒定控制方式,實現(xiàn)帶式輸送機的變頻調(diào)速。

        3.2 變頻調(diào)速裝置的設(shè)計

        本文研究的帶式輸送機由3 臺電動機同步驅(qū)動,每1 臺電動機配備1 臺三菱MVG-2000/10/6k 型變頻器,進行“一拖一”運行。3 臺電動機在1 臺主從控制器的控制下相互獨立運行,相互之間保證速度同步和轉(zhuǎn)矩平衡。其中1 臺變頻器為基于速度控制的主傳動;另外2 臺變頻器為基于轉(zhuǎn)矩控制的從傳動,控制原理如圖4 所示。

        圖4 主斜井帶式輸送機控制原理圖

        PLC 控制器和變頻器位于地面配電室,利用局域網(wǎng)實現(xiàn)通信,保證了控制響應(yīng)的速度。變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能:

        (1) 負荷檢測與電機速度給定控制。根據(jù)當前負荷,實現(xiàn)變速器的分級調(diào)速。以壓力突變檢測儀檢測數(shù)據(jù)和實際負載作為開關(guān)量輸入信號,當負載發(fā)生變化時,對應(yīng)的給定值也會改變,基于限流加速技術(shù)調(diào)節(jié)變速器的速度;(2) 變頻器故障檢測。當變頻器出現(xiàn)欠電壓、過電壓、接地短路等故障時,可以自動進行故障報警。PLC 根據(jù)故障信息作出決策,保證系統(tǒng)運行的可靠性;(3) 上位機通訊。在變速器和上位機之間建立通信,提高了前端數(shù)據(jù)的上傳效率和終端指令的下達速度,通過靈活調(diào)速達到理想的節(jié)能效果[5]。

        4 變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用效果

        某煤礦的主斜井井筒長度3 177 m,傾角為5.8°,垂直高度325 m,煤的松散容重為884 kg/m3。帶式輸送機的輸送能力為2 920 t/h,額定帶速為6.2 m/s,托輥間距1.5 m,托輥槽角35°,傳動滾動摩擦系數(shù)0.3,基本參數(shù)見表1。

        表1 主斜井帶式輸送機基本參數(shù)表

        使用上文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)控制帶式輸送機,對比該系統(tǒng)使用前后帶式輸送機的運輸效率和節(jié)能效益。

        4.1 運輸效率對比

        結(jié)合帶式輸送機的基本參數(shù),平均每小時的運量(Q)可由下式求得:

        上式中,M 表示礦井設(shè)計含量,這里取5×106t/a;a 表示每年工作天數(shù),這里以330 天計;b 表示每天的工作時數(shù),這里取16 t/d。將各項數(shù)據(jù)帶入上式后,求得帶式輸送機平均每小時的運量約為947 t/h。相應(yīng)的,帶式輸送機的冗余比(λ)為:

        在改造前,帶式輸送機無論是在滿載、空載還是輕載狀態(tài),都保持恒定速度運行,運輸效率不高;使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)后,會根據(jù)運量的不同靈活調(diào)節(jié)帶速,通過變速運行提高了運輸效率。

        4.2 電氣節(jié)能對比

        主斜井有2 臺帶式輸送機同步作業(yè),平均輸出功率42 Hz。根據(jù)往年帶式輸送機的運行情況,變頻器是消耗功率大約為額定功率的60%。1#輸送機的全年耗電量(W1)為:

        同理可以求得2# 輸送機的全年耗電量W2為1.04×107kWh。使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進行改造后,帶式輸送機變頻器的平均輸出功為40 Hz,電動機輸出功率為710 kW,改造后1#輸送機的全年耗電量(M1)為:

        同理可以求得2#輸送機改造后的全年耗電量為0.96×107kWh。改造前后的能耗對比見表2。

        表2 帶式輸送機改造前后能耗情況對比表(單位:kWh)

        由表2 數(shù)據(jù)可知,使用本文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進行改造后,帶式輸送機每年可節(jié)約0.29×107kWh 的電量,節(jié)電效率(η)為:

        改造后節(jié)電效率達到了12.2%,節(jié)能效益顯著。

        5 結(jié)論

        帶式輸送機是煤礦開采作業(yè)的重要設(shè)備,也是主要的能耗設(shè)備?;谧冾l調(diào)速技術(shù)設(shè)計帶式輸送機節(jié)能控制系統(tǒng),根據(jù)帶式輸送機的當前運量調(diào)整帶速,保證帶速和運量為最佳匹配。在滿足煤礦運送需求的前提下,降低了帶式輸送機的電能浪費,達到了節(jié)能降本的目的。從實踐應(yīng)用來看,本文設(shè)計的變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能效率可以達到12.2%,達到了設(shè)計預(yù)期。

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