高壓變頻調(diào)速一體機(jī)在刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用

李祥千 劉錫安

摘 要：本文通過(guò)高壓變頻調(diào)速一體機(jī)在采煤工作面刮板輸送機(jī)上成功應(yīng)用的實(shí)例，詳細(xì)敘述了高壓變頻調(diào)速一體機(jī)在刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用，并論述了其對(duì)采煤工作面的安全、節(jié)能和提高自動(dòng)化程度等方面所帶來(lái)的變革。通過(guò)一種全新的控制思路，解決刮板輸送機(jī)上多驅(qū)動(dòng)的功率平衡問(wèn)題。為變頻調(diào)速一體機(jī)在刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)等大型運(yùn)輸設(shè)備上的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：刮板輸送機(jī)；高壓；變頻調(diào)速；一體機(jī)；功率平衡

中圖分類號(hào)：TD634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0186-02

1 概述

刮板輸送機(jī)是采煤工作面配套設(shè)備的重要組成部分，是煤炭開采后運(yùn)輸?shù)牡谝粋€(gè)環(huán)節(jié)。其結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和使用壽命等，都將直接影響煤炭開采的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

刮板輸送機(jī)已經(jīng)發(fā)展多年，關(guān)于其驅(qū)動(dòng)方式也在不斷發(fā)展、更新。目前主要驅(qū)動(dòng)方式有雙速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、電機(jī)加液力耦合器驅(qū)動(dòng)、電機(jī)加CST驅(qū)動(dòng)、變頻器加電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)等。變頻器驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)是近幾年應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的新技術(shù)，在變頻驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方式，使用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)，是刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的全新嘗試。對(duì)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的變革具有重要意義。

2 控制方式

在工作面控制臺(tái)上布置一臺(tái)KXJ-127礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱，一體機(jī)和控制箱之間采用CAN總線進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議采用CANOPEN。

控制箱接收控制臺(tái)的啟停信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、檢修模式信號(hào)，然后通過(guò)總線控制高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的啟停、方向、轉(zhuǎn)速和工作模式等。

3 多驅(qū)動(dòng)功率平衡的實(shí)現(xiàn)

刮板輸送機(jī)采用機(jī)頭、機(jī)尾兩部驅(qū)動(dòng)，兩部驅(qū)動(dòng)用鏈條連在一起。驅(qū)動(dòng)連接方式跟帶式連接和齒輪連接相比有所不同；刮板輸送機(jī)的負(fù)載于其他運(yùn)輸設(shè)備的負(fù)載相比也有所不同：

（1）刮板輸送機(jī)采用剛性鏈條連接，屬于剛性連接。但是鏈條都有一定的余量，刮板輸送機(jī)越長(zhǎng)，鏈條余量會(huì)越大。刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)矩都不會(huì)同步；（2）刮板輸送機(jī)的負(fù)載主要是上方的落煤，但是在運(yùn)行時(shí)煤炭不可避免的會(huì)進(jìn)入刮板輸送機(jī)底部，造成拉回煤現(xiàn)象，影響兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)的功率平衡；（3）刮板輸送機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)落下大的塊煤、巖石或在推溜的過(guò)程中刮板卡滯，都會(huì)帶來(lái)負(fù)載的突變，但是這種負(fù)載突變屬于正?，F(xiàn)象，不能停機(jī)保護(hù)。且突變的負(fù)載也為負(fù)載功率平衡的實(shí)現(xiàn)增加了難度。

3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）控制技術(shù)是目前比較流行的變頻調(diào)速控制方式之一。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實(shí)質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場(chǎng)定向方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。

3.2 多驅(qū)動(dòng)功率平衡的實(shí)現(xiàn)

刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)采用的高壓變頻調(diào)速一體機(jī)，其核心變頻控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制模式。即以電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為控制變量。在多驅(qū)動(dòng)使用時(shí)，以其中一臺(tái)高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為參考，比較被控高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)PID運(yùn)算，使用PID運(yùn)算的輸出值來(lái)校正被控設(shè)備的轉(zhuǎn)速設(shè)定。

PID調(diào)節(jié)基本運(yùn)算方程為：

y=Kp[e（t）+e（t）dt+Td

式中：e（t）為輸入偏差值，即參考高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值和被控高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值的差值；

Kp為調(diào)節(jié)比例系數(shù)。根據(jù)鏈條松緊狀況，可以調(diào)整此參數(shù)優(yōu)化速度控制。

Ti為調(diào)節(jié)積分時(shí)間。Td為調(diào)節(jié)微分時(shí)間。通常Td為零。即整個(gè)調(diào)速過(guò)程實(shí)際為PI調(diào)節(jié)。

高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的控制引入PI調(diào)節(jié)后，正常運(yùn)行狀態(tài)下兩臺(tái)設(shè)備這件輸出轉(zhuǎn)矩基本保持一致，達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中功率平衡的目的。

如前文所述，刮板輸送機(jī)是運(yùn)行工況比較復(fù)雜的設(shè)備，實(shí)際使用時(shí)會(huì)存在各種各樣的特殊情況。圖1是兩臺(tái)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)矩曲線圖。可以看出，兩臺(tái)電機(jī)之間轉(zhuǎn)矩存在周期性波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，波動(dòng)原因是刮板輸送機(jī)鏈條存在一段舊鏈條。新舊鏈條不匹配會(huì)曲線圖1曲線。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，變頻調(diào)速控制的刮板輸送機(jī)能為現(xiàn)場(chǎng)檢修和分析問(wèn)題提供可靠的分析數(shù)據(jù)。這也是刮板輸送機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)的一大優(yōu)勢(shì)。

4 變頻調(diào)速控制在刮板輸送機(jī)檢修時(shí)的運(yùn)用

刮板輸送機(jī)在使用過(guò)程中，因?yàn)槊簩幼兓蚬伟?、鏈條的疲勞，經(jīng)常會(huì)需要截短、增加或更換鏈條跟刮板。在這個(gè)工作過(guò)程中，刮板輸送機(jī)需要運(yùn)行在很低的轉(zhuǎn)速，達(dá)到固定位置后停車并抱閘。這個(gè)過(guò)程一般需要刮板輸送機(jī)配套液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樾阅芎桶踩脑?，這個(gè)功能在雙速電機(jī)、液力耦合器甚至變頻器等驅(qū)動(dòng)方式上無(wú)法實(shí)現(xiàn)替代液壓馬達(dá)，見圖2。

高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的使用，配套減速機(jī)機(jī)械制動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了替代液壓馬達(dá)的功能。實(shí)現(xiàn)替代液壓馬達(dá)功能需要具備以下條件：

（1）電機(jī)需要極低的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。高壓變頻調(diào)速一體機(jī)由于變頻器和電機(jī)集成在一體，低速性能比變頻器加變頻電機(jī)的方式更加優(yōu)越。高壓變頻調(diào)速一體機(jī)可以在100轉(zhuǎn)/分低速下穩(wěn)定運(yùn)行。（2）高壓變頻調(diào)速一體機(jī)帶直流抱閘功能。使用直流抱閘保持功能可將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在零速。當(dāng)速度給定和電機(jī)速度均降到預(yù)設(shè)的直流保持速度以下時(shí)，傳動(dòng)單元使電機(jī)停止并將直流注入電機(jī)。當(dāng)速度給定再次超過(guò)直流保持速度時(shí)，傳動(dòng)單元重新開始正常工作。圖2為直流抱閘功能曲線示意圖。（3）高壓變頻調(diào)速一體機(jī)直流抱閘功能配合減速機(jī)機(jī)械制動(dòng)裝置，在功能性和安全性上達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)操作要求。

5 變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板輸送機(jī)時(shí)的鏈條保護(hù)功能

常規(guī)的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，一般在電機(jī)和減速機(jī)之間加摩擦限矩器來(lái)限制電機(jī)傳遞到減速機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，保護(hù)刮板輸送機(jī)鏈條在過(guò)轉(zhuǎn)矩情況下拉斷。

高壓變頻調(diào)速一體機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為被控量，即電機(jī)本身輸出的轉(zhuǎn)矩值是可以通過(guò)變頻部分來(lái)控制的。限制高壓變頻調(diào)速一體機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，即等效于摩擦限矩器的效果。

也即是說(shuō)，采用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，不需要在附加額外的轉(zhuǎn)矩限制設(shè)備。

6 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)省電能：刮板輸送機(jī)在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)有頻繁啟停車的現(xiàn)象，采用工頻直接啟動(dòng)，會(huì)浪費(fèi)大量電能。采用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)后，消除了頻繁啟車對(duì)電能的浪費(fèi)，并且提高了電機(jī)功率因數(shù)；（2）消除了對(duì)電網(wǎng)的沖擊：采用工頻啟動(dòng)，電機(jī)功率越大，對(duì)電網(wǎng)沖擊越大。使用現(xiàn)場(chǎng)一般采用錯(cuò)時(shí)啟動(dòng)的辦法來(lái)減小其影響。并且長(zhǎng)距離供電時(shí)，必須增加電機(jī)電纜的截面積來(lái)減小啟動(dòng)時(shí)的電壓降。這些都增加了設(shè)備和資金投入。采用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)則不存在對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并且選擇電纜時(shí)只需考慮電纜的耐壓和載流量即可；（3）減小不必要的磨損，提高設(shè)備使用壽命：刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)刮板和鏈條的磨損是非常大的。隨著鏈條的磨損，斷鏈的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。采用變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以根據(jù)采煤機(jī)位置和運(yùn)煤量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度。減小刮板和鏈條的磨損；（4）使用簡(jiǎn)單、方便：采用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以取代高低速切換、液力耦合器、CST等軟啟動(dòng)方式。電機(jī)和減速器直接連接，使用簡(jiǎn)單；變頻調(diào)速一體機(jī)可在2Hz以下運(yùn)行，刮板輸送機(jī)使用期間翻鏈子、上刮板等檢修工作，原先需要絞車或液壓馬達(dá)等其他驅(qū)動(dòng)設(shè)備，高壓變頻調(diào)速一體機(jī)具備低速檢修模式，可以替換液壓馬達(dá)等附屬設(shè)備；（5）高壓變頻調(diào)速一體機(jī)具備轉(zhuǎn)矩保護(hù)功能，節(jié)省了附加轉(zhuǎn)矩保護(hù)設(shè)備的投入。

7 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)是煤礦采煤生產(chǎn)使用的傳統(tǒng)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)方式隨著科技進(jìn)步也在不斷變化。采用高壓變頻調(diào)速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)是目前比較先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式。刮板輸送機(jī)是煤礦井下使用條件復(fù)雜，環(huán)境比較惡劣的運(yùn)輸設(shè)備，高壓變頻調(diào)速一體機(jī)在刮板輸送機(jī)上的成功應(yīng)用，為其他運(yùn)輸設(shè)備使用變頻驅(qū)動(dòng)提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)提升礦井自動(dòng)化，節(jié)省高效生產(chǎn)具有重要意義。

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