刮板輸送機(jī)變頻控制研究

李立晶

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司曙光煤礦，山西孝義 032300）

0 引言

隨著礦井生產(chǎn)能力不斷提升，對刮板輸送機(jī)運(yùn)輸效率提出更高要求。刮板輸送機(jī)采用傳統(tǒng)液力耦合器（調(diào)速型）完成設(shè)備軟啟動存在設(shè)備維護(hù)工作量大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等弊端，且不適宜長時間低速運(yùn)行[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)不斷前進(jìn)，變頻控制技術(shù)在工礦領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛[4-5]。將變頻控制應(yīng)用到大功率刮板輸送機(jī)控制方面，實(shí)現(xiàn)多驅(qū)動電機(jī)功率平衡及刮板鏈故障停機(jī)保護(hù)功能，采用直接對輪連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)液力耦合器，提升機(jī)械效率。采面刮板輸送機(jī)采用變頻控制也為礦井實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理創(chuàng)造良好條件[4-5]。因此，本文對3 300 V高壓BPJV1-2000/3.3高壓變頻器工作原理進(jìn)行闡述基礎(chǔ)上，結(jié)合采面刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀況，對高壓變頻器在采面刮板輸送機(jī)中應(yīng)用特性進(jìn)行分析。

1 高壓變頻控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分：控制回路與主回路。具體如圖1所示。

控制回路主要由地面監(jiān)控中心、集中顯示器、集中控制器（TK200）、信號采集裝置、通訊傳輸系統(tǒng)等部分組成[6-7]。集中顯示器功能為：（1）操控人員通過集中顯示器設(shè)置刮板輸送機(jī)速度；（2）集中顯示器可以顯示最多3臺高壓變頻器輸出電流、電壓值，顯示刮板機(jī)驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)及運(yùn)行曲線；（3）將變頻控制系統(tǒng)通過通訊傳輸系統(tǒng)傳輸至地面監(jiān)控主機(jī)，為調(diào)度人員作出決策提供依據(jù)；（4）通過液位、溫度等傳感器對驅(qū)動電機(jī)減速器液壓油位及油溫進(jìn)行采集監(jiān)測。集中控制器（TK200）采用硬接線方式控制變頻器控制系統(tǒng)開啟、急停、停機(jī)等，實(shí)現(xiàn)與采面其他設(shè)備啟停閉鎖聯(lián)動功能。

圖1 變頻器結(jié)構(gòu)組成

主回路給刮板輸送機(jī)運(yùn)行提供動力，具體線路布置為礦井10 kV高壓線路經(jīng)過中央變電站后輸出2條1903V線路，接入到BPJV1-2000/3.3高壓變頻器，變頻器對輸入電壓進(jìn)行變頻，從而使得刮板輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)接入電路頻率在0～50 Hz，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)調(diào)速控制。

1.2 控制流程

刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)流程如圖2所示，具體控制過程為：（1）變頻控制系統(tǒng)通電后（380 V），系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢工作，檢查控制回路中是否出現(xiàn)故障，若有故障則在顯示屏上顯示故障代碼；（2）作業(yè)人員通過操控變頻控制向移動變電站發(fā)出合閘指令，移動變電站在合閘過程中若檢測到故障，則自動調(diào)整，停止向變頻器供電，若無故障則順利合閘，向變頻器通電，變頻控制系統(tǒng)進(jìn)入到準(zhǔn)備啟動階段；（3）作業(yè)人員通過中央控制臺設(shè)置采面刮板輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)，通過集中控制器（TK200）進(jìn)行前期先導(dǎo)軟啟動；（4）變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若采面出現(xiàn)故障停機(jī)或者閉鎖現(xiàn)象，變頻器停止供電，并顯示故障代碼，系統(tǒng)重新啟動則需要重復(fù)步驟（3），若設(shè)備出現(xiàn)設(shè)備跳閘故障，變頻器同樣會立刻停止向驅(qū)動電機(jī)供電，并在顯示屏上顯示故障代碼，系統(tǒng)重新啟動則需要重復(fù)步驟（2）。

2 技術(shù)特征

2.1 電機(jī)負(fù)荷均衡

大功率刮板輸送機(jī)采用多臺驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)行特性，為了更好實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)負(fù)荷均衡，變頻器控制采用主—從方式[8]。從變頻器依據(jù)主變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果，合理確定自身輸出電流頻率，實(shí)現(xiàn)主從驅(qū)動電機(jī)負(fù)載均衡。根據(jù)刮板輸送機(jī)運(yùn)特征[9]，將機(jī)尾變頻器作為主機(jī)、機(jī)頭變頻器作為從機(jī)，集中控制器（TK200）向機(jī)尾主變頻器發(fā)出運(yùn)行指令，從機(jī)通過CAN通信方式從主機(jī)獲取控制指令，最終實(shí)現(xiàn)主從3臺驅(qū)動電機(jī)功率平衡。

2.2 斷鏈停機(jī)保護(hù)

刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中會常出現(xiàn)卡鏈、饋鏈等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成刮板輸送機(jī)鏈條出現(xiàn)斷裂事故，給采面正常帶來不利影響[10]。2018年3月刮板輸送機(jī)鏈條出現(xiàn)斷裂，變頻控制啟動捕捉到的電機(jī)電流變化情況如圖3所示。從圖中可以看出，刮板輸送機(jī)刮板鏈出現(xiàn)斷裂瞬間，輸入到機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)電流變化曲線有4處位置出現(xiàn)顯著降低，電流降低率超過70%。因此，通過檢測輸入到驅(qū)動電機(jī)的電流降低率來實(shí)現(xiàn)對刮板機(jī)鏈?zhǔn)欠駭噫溸M(jìn)行預(yù)判，預(yù)測出斷鏈?zhǔn)鹿拾l(fā)生后及時停機(jī)保護(hù)，避免驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)拖動刮板鏈，降低鏈條修補(bǔ)時間。刮板鏈合理參數(shù)對確保刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行具有重要影響，具體為：實(shí)際設(shè)置驅(qū)動電機(jī)瞬間電流下降率預(yù)警值為70%，預(yù)警值設(shè)置過大會加大斷鏈漏報概率；當(dāng)設(shè)定值偏小時，對鏈條卡鏈、饋鏈、煤壁片幫等情況出現(xiàn)誤報概率加大。對瞬間電流進(jìn)行檢測時間設(shè)定為10 s。

圖3 刮板鏈斷裂瞬間驅(qū)動電機(jī)的瞬間電流變化情況

圖4 機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速變化圖

2.3 滑差率保護(hù)

刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中，刮板鏈出現(xiàn)卡鏈、煤壁出現(xiàn)片幫等情況時驅(qū)動電機(jī)出瞬間堵轉(zhuǎn)可以接受，若長時間高頻率出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，有可能引起刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)損壞或者刮板鏈斷裂，給采面正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響[11]。刮板鏈斷裂過程中記錄的機(jī)尾驅(qū)動電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速變化如圖4所示。

采面刮板輸送機(jī)采用的型號為HXW95-1600KW/3300V驅(qū)動電機(jī)，額定工作電流A=332.4 A。電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時電流Ad一般為額定工作電流值A(chǔ)的1.2倍，則轉(zhuǎn)時電流Ad=398.88 A，該數(shù)值與圖4中的A電對用的電流值較為吻合，現(xiàn)實(shí)在圖4中A時間點(diǎn)刮板輸送機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況。刮板輸送機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)后，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)由恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變成恒功率，輸送到驅(qū)動電機(jī)中的電流值持續(xù)增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速則呈降低趨勢。

變頻控制可以通過滑差率保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對刮板輸送機(jī)保護(hù)。當(dāng)刮板輸送機(jī)驅(qū)動電機(jī)滑差率、持續(xù)時間等參數(shù)值均在30%、2.5 s以上時，則可以判定刮板輸送機(jī)出現(xiàn)斷鏈或者摩擦事故，需要停機(jī)進(jìn)行處理。

2.4 轉(zhuǎn)距保護(hù)

采面工作環(huán)境惡劣，刮板輸送機(jī)常需要重載啟動，要求變頻控制系統(tǒng)在刮板機(jī)重載啟動初期可以提供足夠的轉(zhuǎn)矩；但是刮板輸送機(jī)正常運(yùn)行過程中仍保持較大轉(zhuǎn)矩，一旦出現(xiàn)卡鏈、饋鏈故障，在較大轉(zhuǎn)矩作用下很容易造成刮板機(jī)鏈條出現(xiàn)斷裂[12-13]。因此，在刮板機(jī)啟動及正常運(yùn)行階段應(yīng)分別設(shè)置轉(zhuǎn)矩上限、電流上限?，F(xiàn)階段變頻器在啟動時可以提供2.2倍額定轉(zhuǎn)矩、額定電流，正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩及電流值可以通過變頻器顯示屏進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)礦井1226采面變頻器存儲的運(yùn)行數(shù)據(jù)，正常運(yùn)行時設(shè)置的變頻器輸出扭矩及電流上限值為1.5倍額定轉(zhuǎn)矩、額定電流。

2.5 運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控

機(jī)尾主變頻器通過CAN總線獲取機(jī)頭2臺從變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過RE-485通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央控制臺（PLC控制器），后通過控制臺信息傳輸模塊、井下通信網(wǎng)絡(luò)等將刮板機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳輸至地面監(jiān)控中心。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

礦井1226采面采用BPJV1-2000/3.3高壓變頻器，采用水冷方式，變頻控制系統(tǒng)具備過載、短路、斷鏈及堵轉(zhuǎn)等保護(hù)能力，具體參數(shù)如表1所示。通過變頻器后，可以輸出0～3 300 V電壓、5～50 Hz電流頻率及0～290 A電流值。

截止到2018年11月，1226采面已順利推進(jìn)1 300 m，原煤生產(chǎn)量達(dá)到300萬t，采面平均日產(chǎn)煤量在1.5萬t，刮板輸送機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，故障率以及電力消耗顯著降低。

表1 BPJV1-2000/3.3變頻器輸入?yún)?shù)

4 結(jié)束語

刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性、高啟動轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在礦井自動化水平的不斷提升、井下作業(yè)人員數(shù)量不斷減小背景下，變頻控制系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用會逐漸增加。BPJV1-2000/3.3高壓變頻器在礦井1226采面采用現(xiàn)場應(yīng)用也取得顯著效果，應(yīng)用前景較好。