變頻控制技術(shù)在煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

陳 贊

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司新橋煤礦，河南 商丘 476600）

隨著科技的發(fā)展，煤礦采集和運(yùn)輸技術(shù)得到了較快的發(fā)展，其中刮板運(yùn)輸機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景變得越來越多。為了提升運(yùn)輸效率，企業(yè)可以在刮板運(yùn)輸系統(tǒng)中應(yīng)用變頻技術(shù)，讓刮板運(yùn)輸機(jī)適應(yīng)更多的運(yùn)輸環(huán)境。

1 刮板輸送機(jī)機(jī)械應(yīng)用特性

刮板輸送機(jī)是利用鏈條運(yùn)動(dòng)，將負(fù)載恒速輸送到特定的位置，它負(fù)載的大小取決于它負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，因此，它具有摩擦性和負(fù)載特性，但又因它是使用鏈條連接的，鏈條具有一定的彈性，當(dāng)負(fù)載突變和啟動(dòng)時(shí)，其具有一定的彈性負(fù)載特性。其是否具備恒轉(zhuǎn)矩的特性取決于刮板輸送機(jī)的負(fù)載特性[1]。

刮板式采煤輸送機(jī)是在采煤全過程中最前端的一種，按照從末端到前端的一般選配余量功率不斷放大的原則，可使刮板輸送機(jī)具有較大的富余。刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)受到片幫、刮卡等原因?qū)е仑?fù)載增大，在采、運(yùn)煤的時(shí)候出現(xiàn)突然停機(jī)的情況時(shí)有發(fā)生，因此造成頻繁的重載起動(dòng)，為了達(dá)到上面兩點(diǎn)要求，刮板輸送機(jī)配置余量的功率要大一些[2]。

比如井礦配置的刮板輸送機(jī)的功率是2×1000kW。在正常生產(chǎn)過程中，對(duì)其內(nèi)部機(jī)頭和機(jī)尾以及驅(qū)動(dòng)機(jī)各部分的電機(jī)的轉(zhuǎn)矩情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)時(shí)候，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)都在額定功率的一半以下，從而充分說明刮板輸送機(jī)的功率富余非常大[3]。

輸送機(jī)獨(dú)特的負(fù)載性質(zhì)和驅(qū)動(dòng)需要決定了輸送機(jī)配備的富余量多少。因片幫和刮卡等多種原因，造成負(fù)載忽然增大，此時(shí)就必須為其配備富余量比較大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；而另外一個(gè)因素就是需要達(dá)到重載起動(dòng)的應(yīng)用要求。

如果轉(zhuǎn)矩的額定值達(dá)到15 倍時(shí)，就不能成功起動(dòng)。在相同負(fù)載的情況下，若雙機(jī)成功起動(dòng)，壓溜煤的長度再次增大，起動(dòng)時(shí)的負(fù)載就可能會(huì)更大。由于重載起動(dòng)的原因，需配備容量比較大的電機(jī)。

2 變頻控制技術(shù)原理

對(duì)設(shè)備供電電能的頻率進(jìn)行控制，可以使變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的效果，在日常實(shí)踐中，一般是把交流電源的整流轉(zhuǎn)換為直流電能信號(hào)，然后，再對(duì)其逆變，使其轉(zhuǎn)換成一種能夠同時(shí)對(duì)電壓的幅值與頻率進(jìn)行控制的電能，變頻器在控制電機(jī)過程中，電壓的頻率f 與電機(jī)的轉(zhuǎn)速m 之間的關(guān)系是：

其中q 代表的是轉(zhuǎn)差率；p 代表的是磁對(duì)數(shù)。經(jīng)上所述，電機(jī)的轉(zhuǎn)速m 與電壓的頻率f 成正比，當(dāng)電機(jī)磁對(duì)數(shù)的值一定時(shí)，直接控制導(dǎo)體器件的通電斷電，對(duì)電壓的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠滿足平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的需求。

3 刮板輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 滿足軟啟動(dòng)需求

以往用來處理重載起動(dòng)的刮板輸送機(jī)，一般使用大功率配置的電機(jī)、雙速電動(dòng)機(jī)、配備液力偶合器、電氣軟起動(dòng)器等多種設(shè)備。通過礦井的使用狀態(tài)進(jìn)行分析，由于功率配備的逐漸變大，上述的起動(dòng)方式雖然可以解決大部分的重載起動(dòng)問題，但實(shí)際的應(yīng)用效果并不好，而且會(huì)使大量的資源配置產(chǎn)生浪費(fèi)，且上述的起動(dòng)方法還會(huì)受到井下電源容量大小的影響。如果使用雙電機(jī)錯(cuò)峰起動(dòng)的方法，可以降低大部分的重載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4]。

從變頻使用上進(jìn)行分析，變頻驅(qū)動(dòng)能夠有效解決刮板輸送機(jī)重載起動(dòng)問題，而且在起動(dòng)過程中可以人為進(jìn)行控制，使起動(dòng)的平滑性得到滿足[5]。

3.2 協(xié)調(diào)電機(jī)功率

以往刮板輸送機(jī)的拖動(dòng)方式，其功率不能達(dá)到充分協(xié)調(diào)，變頻驅(qū)動(dòng)無論是在起動(dòng)時(shí)還是在運(yùn)行時(shí)，雙機(jī)的功率都可以做到互相協(xié)調(diào)。經(jīng)實(shí)踐證明，使用功率協(xié)調(diào)能夠使得頭部和尾部的多臺(tái)電機(jī)之間隨著負(fù)載的變化精準(zhǔn)地分配功率，不會(huì)讓任何一臺(tái)電機(jī)承擔(dān)太多或太少的功率，功率協(xié)調(diào)可以大大延長設(shè)備傳動(dòng)部件和關(guān)鍵部件的使用壽命[6]。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，使用變頻驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，關(guān)鍵部件的使用壽命是原來的15 倍以上。

3.3 節(jié)能減耗

使用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的原因主要表現(xiàn)在節(jié)能減耗的特點(diǎn)上，其優(yōu)點(diǎn)主要是以下幾方面:

1.加強(qiáng)傳動(dòng)的工作效率，變頻傳動(dòng)能夠降低機(jī)械傳動(dòng)的環(huán)節(jié)，其傳動(dòng)的效率能夠提高至96%以上，液力偶合器的傳動(dòng)效率不高于90%。

2.利用變頻調(diào)速運(yùn)行，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到負(fù)載目的，使電機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠保持最佳效能。加大了設(shè)備的功率，電機(jī)的額定負(fù)載功率值能夠高于95%，刮板輸送機(jī)配置電機(jī)在日常工作過程中，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩不到一半，功率值下降為60%以下，在很大程度上導(dǎo)致了能量的大量浪費(fèi)。使用變頻驅(qū)動(dòng)，可以通過負(fù)載情況隨時(shí)對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)動(dòng)，使整臺(tái)電機(jī)的功率值能夠保持在95%以上，這樣能夠盡量減少無用功率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果[7]。

3.利用調(diào)速的方法，縮短了電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)行進(jìn)程，從而降低了電機(jī)的損耗，使電機(jī)的使用期限更長久，加強(qiáng)了電機(jī)的綜合使用率，減少了設(shè)備的生產(chǎn)成本，達(dá)到了設(shè)備節(jié)能減耗的效果[8]。

4 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在可轉(zhuǎn)換頻率控制管理系統(tǒng)內(nèi)，通過添加一個(gè)相關(guān)的檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的電磁運(yùn)行狀態(tài)，有的變頻系統(tǒng)內(nèi)通過使用轉(zhuǎn)換控制方法來提高變頻指令的靈敏度。工作人員可通過控制回流電路與各個(gè)該設(shè)備間各設(shè)有一個(gè)互不干擾的變壓設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整機(jī)電路自動(dòng)適應(yīng)電磁變化的實(shí)時(shí)隔離，電流流出端可以用變頻捕捉器實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)變頻機(jī)箱進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)感應(yīng)變頻電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

在此系統(tǒng)中，逆變器使用三電平逆變方法，與非門晶體管對(duì)比，它能利用較少的小元件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行促使電流快速阻斷，具備良好的使用狀態(tài)，能夠有效保障運(yùn)輸機(jī)在各種環(huán)境條件下平穩(wěn)地使用。

4.2 系統(tǒng)中存在的問題

井下的條件有限，當(dāng)變頻器控制刮板開動(dòng)時(shí)，不能精確地把控刮板上的負(fù)荷，對(duì)變頻器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性造成極大的影響：當(dāng)啟動(dòng)的負(fù)荷比較大時(shí)，易使刮板機(jī)的鏈條發(fā)生斷裂現(xiàn)象，更嚴(yán)重者可能導(dǎo)致電機(jī)被燒毀，這時(shí)運(yùn)輸機(jī)可能出現(xiàn)很大的發(fā)動(dòng)電流，為整個(gè)礦產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)造成巨大的干擾；當(dāng)啟動(dòng)的負(fù)載比較小時(shí)，因系統(tǒng)的啟動(dòng)電流比較大，導(dǎo)致資源大量浪費(fèi)。為了有效解決煤礦現(xiàn)存的這個(gè)問題，在此系統(tǒng)中，應(yīng)該從刮板運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)電流和運(yùn)輸情況這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，設(shè)計(jì)變頻控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，完成刮板機(jī)變頻控制及其相關(guān)抗干擾措施。

5 變頻控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻器的控制使用零散控制和集中管理這兩種解決方法。刮板機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制是獨(dú)立的兩個(gè)控制方法，自動(dòng)控制可以通過遠(yuǎn)程平臺(tái)來完成，而就地控制是通過現(xiàn)場(chǎng)工人來完成的，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)管理可以對(duì)工人的現(xiàn)場(chǎng)操作權(quán)限進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理的功能，其具備較高的優(yōu)先級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)的工人具備較強(qiáng)的操作主動(dòng)性，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作情況隨時(shí)發(fā)出自動(dòng)停機(jī)操作指令，提高了現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。

5.1 選擇主控器型號(hào)

控制系統(tǒng)的產(chǎn)品型號(hào)是1756-L61。與其他產(chǎn)品相比，ControlLogix 系列的控制器內(nèi)部的存儲(chǔ)空間比較大，當(dāng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及行為信號(hào)占用的大小都不超過2兆，在實(shí)際應(yīng)用過程中，其最大功耗是35W。

該系統(tǒng)擁有超快的交互功能和便捷的IO 處理能力，而且它能夠?qū)崿F(xiàn)傳運(yùn)控制和動(dòng)?？刂七@兩大功能。此設(shè)備運(yùn)用細(xì)化的功能類型，讓使用者只需利用系統(tǒng)登錄功能進(jìn)入設(shè)備就能夠隨時(shí)改變?cè)O(shè)備基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶相應(yīng)的功能需求。

5.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

為有效達(dá)成刮板機(jī)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視功能，在此通訊環(huán)節(jié)中，采用1756-CNB 型交互設(shè)備開始遠(yuǎn)程交互工作，這個(gè)模塊的最大通訊數(shù)據(jù)速度一般為5M/s，數(shù)據(jù)交互初期，其電耗不高于514W，使用RG6 與軸電纜和主機(jī)設(shè)備相連接，達(dá)到對(duì)應(yīng)變化頻率的需要。

5.3 電源模塊

經(jīng)計(jì)算分析，各模塊的總電流約為4A，因?yàn)樵谶x擇電源模塊時(shí)需要考慮到系統(tǒng)的延展性，所以，應(yīng)選用1756-PA75 型號(hào)的電源，其最大的輸入電流為10A，標(biāo)準(zhǔn)使用電壓是220V，最大輸入功率為95W，這樣才可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)供電要求。

5.4 IO 模塊選型

IO 模塊，在工業(yè)設(shè)備運(yùn)行中主要承擔(dān)采集和控制作用，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)的功能，從而保證礦業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接受部分通常選用1756-IB32 型模塊，該模塊擁有32 個(gè)輸入點(diǎn)，使用的電壓在最小為10V，最大為32V，其中導(dǎo)通的電流在2mA 至5.5mA 之間；其數(shù)據(jù)傳出的部分型號(hào)為1756-OB32，擁有32 個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)，內(nèi)含最大為0.5A的輸出電流，連接形式是1756-TBCH；其中模擬輸入模塊使用1756-IF16，最多可輸入8 個(gè)差分型信號(hào)，所輸入的電壓在±10.5V 之間，消耗的電處于23.8V 時(shí)，內(nèi)部電達(dá)到64mA；通過1756-OF4 為虛擬數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)時(shí)，包含了4 或5 個(gè)虛擬傳輸點(diǎn)，內(nèi)部電的壓力在23.8V 時(shí)，對(duì)應(yīng)120mA 的負(fù)載電流。

6 硬件抗干擾措施

刮板機(jī)設(shè)備在開機(jī)運(yùn)行時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)許多能夠干擾設(shè)備的電磁現(xiàn)象，刮板機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作完成后，要把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程的交互平臺(tái)，在這時(shí)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾可能會(huì)直接影響監(jiān)控信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，可能導(dǎo)致自我檢查系統(tǒng)運(yùn)行異常。

6.1 現(xiàn)場(chǎng)干擾分析

現(xiàn)場(chǎng)干擾主要有下面三種干擾類型：

1.控制系統(tǒng)電源干擾：礦中用電質(zhì)量不斷降低的情況下，電壓帶有沖擊性時(shí)，通過控制電源模塊可以直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制管理系統(tǒng)內(nèi)部。

2.通訊電纜引入干擾：主要包括煤礦的電力設(shè)備向本現(xiàn)場(chǎng)控制管理系統(tǒng)發(fā)出串入的干擾，或者是刮板機(jī)周圍的電磁信號(hào)出現(xiàn)的干擾。

3.接地電路的串入干擾其他線路。

6.2 抗干擾有效措施

6.2.1 UPS 供電

UPS 能夠保證電流穩(wěn)定，用來當(dāng)作現(xiàn)場(chǎng)操控設(shè)備中備用驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生斷電時(shí)，能夠及時(shí)接通電源，使設(shè)備能夠迅速恢復(fù)供電。在使用備用供電設(shè)備時(shí)，場(chǎng)地中的中控設(shè)備與礦井中的電力系統(tǒng)都是獨(dú)自運(yùn)行的，在礦井供電系統(tǒng)波動(dòng)較大或受到?jīng)_擊時(shí)，產(chǎn)生的干擾波動(dòng)就不會(huì)從PLC 原件的電源進(jìn)入變頻控制系統(tǒng)中，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6.2.2 冗余備用

在煤礦改版機(jī)的變頻控制管理系統(tǒng)中，CPU 使用冗余熱備控制系統(tǒng)，利用冗余備用，可以保證PLC 指令被穩(wěn)定運(yùn)行。在控制系統(tǒng)正常工作過程中，CPU 的執(zhí)行程序可以控制全部的模塊進(jìn)行工作，同時(shí)，備用CPU 中沒有執(zhí)行任何指令和程序，但仍然在熱備用工作狀態(tài)，只需跟蹤主控CPU 的運(yùn)行情況即可，因兩處理器都超載的概率比較小，所以，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

7 結(jié)語

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)在煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用，工作人員要提升運(yùn)輸機(jī)的變頻效率，需要深入了解系統(tǒng)構(gòu)成，提高對(duì)相關(guān)硬件的掌控能力，提升硬件抗干擾性，解決干擾問題。