帶式輸送機(jī)依靠大運(yùn)量、長距離、連續(xù)輸送的顯著優(yōu)勢，在采礦、港口、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)采用直接啟動(dòng)或星一三角降壓啟動(dòng)方式，存在啟動(dòng)沖擊大、制動(dòng)性能差、能耗高等問題，已難以滿足現(xiàn)代工業(yè)對設(shè)備高效、節(jié)能、可靠運(yùn)行的要求[1]。隨著變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展成熟，將其應(yīng)用于帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造，能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、變速運(yùn)行、能量回饋制動(dòng)等功能，成為解決上述問題的有效途徑。

1.技術(shù)改造背景與方案

1.1原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況與問題

煤礦生產(chǎn)線用的帶式輸送機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直接啟動(dòng)或星一三角降壓啟動(dòng)方式，長期運(yùn)行過程中表現(xiàn)出啟動(dòng)電流過大導(dǎo)致電網(wǎng)沖擊嚴(yán)重、定速運(yùn)行不能根據(jù)物料裝載量調(diào)整轉(zhuǎn)速造成能源浪費(fèi)、機(jī)械制動(dòng)方式使制動(dòng)距離過長且易引發(fā)設(shè)備損耗等諸多技術(shù)缺陷[2。經(jīng)過現(xiàn)場測試分析，原系統(tǒng)啟動(dòng)電流峰值達(dá)到額定值的7.2倍，啟動(dòng)過程中皮帶最大應(yīng)力達(dá)68.4kN，對設(shè)備造成累積性的損傷。同時(shí)，系統(tǒng)采用全速運(yùn)行模式，低負(fù)載工況下功率因數(shù)僅為0.65，能源利用率較低，年能耗28.4萬kWh超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。缺乏有效制動(dòng)控制策略使得緊急停車時(shí)制動(dòng)距離達(dá)到37.6米，存在一定的安全隱患

1.2變頻驅(qū)動(dòng)改造方案設(shè)計(jì)

針對原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)出基于矢量控制型變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)改造方案，通過采用ACS880系列高性能變頻器和西門子1LG6系列變頻專用電機(jī)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)與變速運(yùn)行[3。該方案的核心技術(shù)在于直接轉(zhuǎn)矩控制原理，通過實(shí)時(shí)計(jì)算負(fù)載特性建立精確的輸送機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制，設(shè)計(jì)包含軟啟動(dòng)模式、恒速運(yùn)行模式、變速運(yùn)行模式和能量回饋制動(dòng)模式四種工作狀態(tài)。系統(tǒng)引入PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信技術(shù)，構(gòu)建設(shè)備層與控制層之間的高速數(shù)據(jù)交換通道，采用電抗器與電容濾波器組合降低諧波干擾，并通過多重保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，整體方案設(shè)計(jì)符合礦用設(shè)備技術(shù)規(guī)范與電氣安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3關(guān)鍵設(shè)備選型與參數(shù)確定

依據(jù)輸送機(jī)負(fù)載特性和工藝方面要求，系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型過程綜合考量技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性因素，變頻器選用ACS880系列產(chǎn)品，其額定功率為185kW，具備直接轉(zhuǎn)矩控制功能與能量回饋能力，內(nèi)置制動(dòng)單元能把制動(dòng)過程產(chǎn)生電能回饋到電網(wǎng)，提高能源利用效率[4]。電機(jī)選用西門子1LG6系列變頻專用異步電動(dòng)機(jī)，額定功率180kW、轉(zhuǎn)速980rpm，絕緣等級F級、防護(hù)等級IP55，耐受潮濕與粉塵環(huán)境，能滿足礦山惡劣工況要求。控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC和威綸通MT8071iP觸摸屏構(gòu)成的組合控制方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制與人機(jī)交互相關(guān)功能，傳感裝置包含歐姆龍E6B2-CWZ6C型編碼器和科力達(dá)KLDZ-5防偏開關(guān)，為系統(tǒng)提供精確速度反饋與皮帶位置信息，并通過電磁兼容性設(shè)計(jì)確保系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.改造實(shí)施與調(diào)試

2.1變頻控制策略實(shí)施與參數(shù)整定

系統(tǒng)硬件改造實(shí)施時(shí)，首先對原有驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行拆除，將定速電機(jī)與降壓啟動(dòng)柜替換為變頻調(diào)速系統(tǒng)。改造過程中著重強(qiáng)化電磁兼容性設(shè)計(jì)，通過增設(shè)濾波器、合理布線和可靠接地措施，確保系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

變頻控制策略采用負(fù)載扭矩自適應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制方法，通過實(shí)時(shí)計(jì)算輸送帶負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)始終工作在最佳效率區(qū)間?？刂扑惴▽?shí)現(xiàn)主要依靠變頻器內(nèi)置的PLC功能與上位機(jī)控制系統(tǒng)配合完成，其核心轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

公式中，T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）;F₁ 為提升阻力（N）； F₂ 為摩擦阻力 （N）;F₃ 為物料加速阻力 （N） ；D為驅(qū)動(dòng)滾筒直徑 （m） ： n 為傳動(dòng)效率。參數(shù)整定過程采用先離線仿真后現(xiàn)場微調(diào)的方法，重點(diǎn)調(diào)整了PID控制器參數(shù)、加減速時(shí)間、轉(zhuǎn)矩限制值等，最終確定滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性要求的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.2系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與試運(yùn)行

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)工作采取分步驟遞進(jìn)式的方法，先進(jìn)行各單元模塊獨(dú)立調(diào)試，驗(yàn)證各模塊功能正常后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，聯(lián)調(diào)過程重點(diǎn)測試變頻器空載運(yùn)行特性、加減速性能以及各保護(hù)功能可靠性，并通過模擬不同負(fù)載情況驗(yàn)證系統(tǒng)在各種工況下的適應(yīng)能力。試運(yùn)行階段對系統(tǒng)進(jìn)行為期30天的持續(xù)運(yùn)行測試，測試內(nèi)容涵蓋無負(fù)載啟動(dòng)、額定負(fù)載運(yùn)行、過載運(yùn)行以及緊急停車等多種工況。同時(shí)，對關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)如電機(jī)溫升、振動(dòng)值、電流波動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄，通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)對控制參數(shù)進(jìn)行最終優(yōu)化調(diào)整，確保系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.改造效果評估

3.1性能測試方法與指標(biāo)

性能測試采用國標(biāo)GB/T10595-2017《帶式輸送機(jī)》規(guī)定的測試流程與方法，通過搭建規(guī)范化測試平臺對改造前后系統(tǒng)性能進(jìn)行全面評估，測試指標(biāo)主要包括啟動(dòng)特性、能耗特性與制動(dòng)特性三大類。其中啟動(dòng)特性測試著重關(guān)注啟動(dòng)電流峰值、啟動(dòng)時(shí)間以及啟動(dòng)過程中皮帶應(yīng)力變化情況。能耗特性測試使用Fluke1735三相電能質(zhì)量分析儀，監(jiān)測系統(tǒng)在不同負(fù)載下的能耗水平，測量周期設(shè)定為連續(xù)7天的生產(chǎn)過程，記錄滿載率分別為 30% 1 60% ，90% 條件下的平均功率與總能耗。制動(dòng)特性測試主要考察緊急停車過程中的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間以及制動(dòng)過程的沖擊應(yīng)力大小，通過高速攝像與應(yīng)變測量相結(jié)合的方式采集相關(guān)數(shù)據(jù)，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

3.2改造前后對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在各項(xiàng)性能指標(biāo)均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在啟動(dòng)特性方面，變頻驅(qū)動(dòng)將啟動(dòng)電流峰值從原來額定電流的7.2倍降低至1.5倍，啟動(dòng)時(shí)間延長至15秒，雖然延長了啟動(dòng)過程，但有效降低了皮帶應(yīng)力，減少了沖擊載荷，啟動(dòng)過程中最大皮帶應(yīng)力下降了46.3% 。在能耗特性方面，系統(tǒng)總體能耗降低了 32.7% ，尤其是在低負(fù)載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更加顯著， 30% 負(fù)載條件下能耗降低幅度達(dá)到 52.4% ，這主要得益于變頻系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率。制動(dòng)特性測試結(jié)果表明，采用能量回饋制動(dòng)技術(shù)后，緊急停車時(shí)的制動(dòng)距離從原來的37.6米縮短到21.2米，制動(dòng)時(shí)間縮短 43.7% 。同時(shí)，制動(dòng)過程中的沖擊應(yīng)力降低了 58.2% ，大幅提高了系統(tǒng)安全性能，相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.結(jié)束語

變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，從根本上改變了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的諸多問題，研究證實(shí)，變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅顯著提高了設(shè)備的能源利用效率，降低了啟動(dòng)沖擊，改善了制動(dòng)性能，還延長了關(guān)鍵部件的使用壽命，通過對煤礦輸送系統(tǒng)改造實(shí)踐，驗(yàn)證該技術(shù)具有可行性與經(jīng)濟(jì)性。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，將變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建智能化輸送系統(tǒng)，將是未來發(fā)展方向。能

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