智能驅(qū)控系統(tǒng)在礦用帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用研究

廖永游

（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖一礦，新疆 哈密 839000）

運(yùn)輸系統(tǒng)是否穩(wěn)定、高效對(duì)礦井生產(chǎn)影響較大[1-4]。目前大多數(shù)礦井運(yùn)輸大巷的帶式固定輸送機(jī)以及工作面的可伸縮式輸送機(jī)通常都配備以異步電動(dòng)機(jī)、變頻器、減速器以及聯(lián)軸器為主的組合裝備，存在傳動(dòng)效率較低、傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、電機(jī)能耗高、低可靠性、高噪音、設(shè)備維護(hù)困難以及液壓油需定時(shí)更換等問(wèn)題。因此，想要提高運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)“大功率、長(zhǎng)距離、高負(fù)載”，最重要的問(wèn)題是解決動(dòng)力模式、智能控制等一系列問(wèn)題[5]。采用的智能驅(qū)控系統(tǒng)，不但能解決傳統(tǒng)運(yùn)輸模式的一些弊病，同時(shí)也提升了機(jī)械裝備的技術(shù)含量，為今后礦井運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化打下了良好的基礎(chǔ)。

1 PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)采用PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)是針對(duì)散狀物料運(yùn)輸系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及智能化控制提供的解決方案。如圖1 所示，其主要組成部分包括永磁電動(dòng)機(jī)、變頻器以及控制裝置等。輔助設(shè)備主要包括制動(dòng)器、聯(lián)軸器、冷卻裝置、制動(dòng)器和逆止器等。PVD 智控系統(tǒng)與傳統(tǒng)運(yùn)輸系統(tǒng)的主要區(qū)別在動(dòng)力模式、智能驅(qū)動(dòng)和控制等方面。

圖1 PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)組成

1.2 智能驅(qū)控系統(tǒng)的基本原理

帶式輸送機(jī)采用PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)是為了以帶式輸送機(jī)機(jī)械特性及運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行工況為研究目標(biāo)，綜合解決系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源、可控運(yùn)行、智能控制等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下輸送系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)包括永磁電機(jī)和配套變頻器兩部分，驅(qū)動(dòng)模式采用永磁電機(jī)-負(fù)載模式。

2 PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)主要特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)平順，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。永磁變頻電機(jī)的動(dòng)力輸出非常平滑，直接連接傳動(dòng)滾筒，縮短了整體傳動(dòng)鏈，使系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)小、噪音低、可靠性高。變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了漸變式啟停車功能，可保證勻速啟動(dòng)，不但解決了傳統(tǒng)電機(jī)瞬時(shí)啟動(dòng)大電流對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，同時(shí)也減少了因啟停時(shí)轉(zhuǎn)矩劇烈變化導(dǎo)致的系統(tǒng)強(qiáng)烈沖擊，可有效減少電網(wǎng)故障以及機(jī)械故障。

（2）采用多機(jī)平衡控制，能耗降低。本系統(tǒng)無(wú)減速電機(jī)和液力變矩器，傳動(dòng)效率高，接近100%。另外永磁電機(jī)無(wú)需勵(lì)磁，減少能源消耗。永磁電機(jī)可實(shí)現(xiàn)25%～120%負(fù)載范圍內(nèi)的高效運(yùn)行，特別是在低速、低載荷狀態(tài)下優(yōu)勢(shì)顯著。傳統(tǒng)的運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率約為85%，異步電動(dòng)機(jī)能耗為國(guó)際IE1 級(jí)。本系統(tǒng)傳動(dòng)效率約為94%，永磁電機(jī)能耗為國(guó)際IE4，整體綜合節(jié)能效率超過(guò)6%。而且，永磁電機(jī)匹配的控制方式能夠恒定輸出2 倍于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，相對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)在同樣條件下啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為額定負(fù)載的55%，適應(yīng)性更好。

（3）采用輸送機(jī)自檢模式，適用于低速、安全運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)在零速時(shí)可滿轉(zhuǎn)矩輸出，從而實(shí)現(xiàn)重載狀態(tài)下啟動(dòng)；雙閉環(huán)矢量控制可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)多功率平衡；在變頻控制下，可實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)“S”曲線啟、停；變頻模式下，可解決下運(yùn)制動(dòng)和緊急停車等問(wèn)題。

（4）故障率較低。PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)減少了大量中間設(shè)備，大大減少了設(shè)備維護(hù)量，在降低了維護(hù)難度的同時(shí)，也拉長(zhǎng)了維護(hù)周期，減少了維護(hù)成本。

3 PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)控制邏輯流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制邏輯圖

（1）系統(tǒng)啟車。正常啟車采用遠(yuǎn)程控制，首先由控制系統(tǒng)向PVD 控制箱發(fā)送信號(hào)，控制箱會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，出現(xiàn)故障會(huì)自動(dòng)報(bào)故障并停車，同時(shí)顯示故障點(diǎn)。若無(wú)故障，若不存在故障則首先啟動(dòng)冷卻裝置，等水泵電機(jī)有運(yùn)行后返回，在延時(shí)一定時(shí)間后再啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，若水泵電機(jī)無(wú)運(yùn)行則報(bào)錯(cuò)停機(jī)；風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行返回之后，延遲啟動(dòng)變頻器，無(wú)運(yùn)行則報(bào)錯(cuò)停機(jī)。變頻器啟動(dòng)后，無(wú)返回報(bào)錯(cuò)停車，在系統(tǒng)設(shè)定啟動(dòng)時(shí)間到時(shí)后，控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，看運(yùn)行參數(shù)是否符合要求。若不符合要求則報(bào)錯(cuò)停機(jī)。

（2）系統(tǒng)停車。正常停車同樣采用遠(yuǎn)程控制，首先由控制系統(tǒng)向PVD 控制箱發(fā)送信號(hào)，控制箱發(fā)送停車信號(hào)至變頻器，待延遲后停止風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，再延遲一段時(shí)間停止水泵電動(dòng)機(jī)。

（3）非正常停車。非正常停車包括由于故障發(fā)生的停車或者急停等。非正常停車信號(hào)發(fā)送后，控制箱同時(shí)向變頻器、水泵電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)開(kāi)關(guān)等發(fā)送信號(hào)停車。

4 PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)應(yīng)用效果

4.1 控本提效，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸系統(tǒng)快速安裝

比起傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，PVD 智能驅(qū)控系統(tǒng)在設(shè)備投入上成本稍高，但PVD 智控系統(tǒng)在建設(shè)和施工上節(jié)省了大量的資金、時(shí)間和人力成本。

PVD 智控系統(tǒng)的電機(jī)采用直驅(qū)方式，相比異步電機(jī)節(jié)省了中間的所有傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此整體體積較小，折舊大大減少了巷道修護(hù)和機(jī)電硐室的建造費(fèi)用。本次大南湖一礦總計(jì)安裝了5 套PVD 指控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，可節(jié)省五個(gè)機(jī)電硐室。按照機(jī)電硐室單價(jià)8 萬(wàn)計(jì)算，本次節(jié)省的機(jī)電硐室建造費(fèi)用約為40 萬(wàn)元。

傳統(tǒng)的運(yùn)輸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量較多，需要大量的土建工作。相比而言PVD 智控系統(tǒng)僅有電機(jī)需進(jìn)行土建工程，預(yù)計(jì)每套設(shè)備節(jié)省土建費(fèi)用5 萬(wàn)元，則本次永磁變頻同步直驅(qū)電機(jī)設(shè)備在基礎(chǔ)土建方面較傳統(tǒng)方式節(jié)省費(fèi)用25 萬(wàn)元。

本系統(tǒng)采用直驅(qū)方式，整套設(shè)備僅電機(jī)和滾筒需要同軸安裝，其他設(shè)備不需要高精度安裝，這就大大降低了安裝難度，同時(shí)節(jié)省了大量安裝時(shí)間，提高了設(shè)備的安裝效率，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)的快速投產(chǎn)。

4.2 節(jié)能降耗，減少設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用

我國(guó)煤炭企業(yè)的生產(chǎn)模式導(dǎo)致了帶式輸送機(jī)選擇電機(jī)功率會(huì)有大量富余。通常若使用傳統(tǒng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，則輸送機(jī)總的裝機(jī)功率應(yīng)為實(shí)際運(yùn)行功率的1.4 倍左右，那么電動(dòng)機(jī)大多數(shù)運(yùn)行負(fù)載不足額定負(fù)載的60%，并且實(shí)際負(fù)載越低，運(yùn)行效率就會(huì)越低。

按照以往異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的使用情況，其整體的運(yùn)行效率大概是80%。相比之下永磁同步變頻直驅(qū)電機(jī)在負(fù)載為20%～120%的情況下，運(yùn)行效率約94%。大南湖一礦本次采用的5 臺(tái)同步直驅(qū)電機(jī)總功率3×560+2×250=2180kW。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，直驅(qū)電機(jī)的節(jié)能效率在15%～20%之間，那么即便按照最低節(jié)能效率15%計(jì)算，設(shè)備每天運(yùn)行時(shí)間約21h，平均每年運(yùn)行330d，則本次安裝的PVD智控系統(tǒng)可以電費(fèi)6867 元/d，即226.611 萬(wàn)元/a。設(shè)備負(fù)載率與效率和功率因數(shù)關(guān)系對(duì)比圖如圖3、圖4 所示。

圖3 設(shè)備負(fù)載率-效率對(duì)比圖

圖4 設(shè)備負(fù)載率-功率因數(shù)對(duì)比圖

4.3 降低設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行成本

永磁變頻電機(jī)采用直驅(qū)方式，節(jié)省了傳動(dòng)設(shè)備，大大減少了輸送機(jī)維護(hù)工作量。按照以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不論是選用“變頻器-減速機(jī)-異步動(dòng)機(jī)”、“ 異步電機(jī)-CST”還是“異步電機(jī)-減速機(jī)-耦合器”驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)都要消耗大量的人力物力。在采用PVD 智控系統(tǒng)之后，每年大約節(jié)省人工成本和材料成本約12 萬(wàn)元。

4.4 提高輸送機(jī)檢修效率

安裝PVD 智控系統(tǒng)后，變頻電機(jī)配合變頻器可使帶式輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低怠速運(yùn)行，方便驗(yàn)帶和檢修工作，大大提高了輸送機(jī)檢修、使用效率。

5 結(jié)論

大南湖一礦將PVD 智控系統(tǒng)應(yīng)用于運(yùn)輸大巷的DTL120/180/2×250 固定帶式輸送機(jī)和工作面的DSJ120/150/3×560 可伸縮式帶式輸送機(jī)上的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，PVD 智控系統(tǒng)采用的核心技術(shù)：變頻技術(shù)、永磁直驅(qū)、智控技術(shù)已經(jīng)非常成熟；其核心設(shè)備：同步變頻電機(jī)、變頻器以及智控裝置的性能和品質(zhì)也相當(dāng)可靠。因此，本工程在新技術(shù)、新裝備應(yīng)用上取得了成功。

PVD 智控技術(shù)取得了良好的應(yīng)用效果，節(jié)省了大量人力和材料成本，降低了安裝和維護(hù)的難度，提高了運(yùn)行和使用效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。本系統(tǒng)的應(yīng)用提高了運(yùn)輸系統(tǒng)的科技含量，為今后礦井煤流系統(tǒng)進(jìn)一步的自動(dòng)化乃至智能化打下了良好的基礎(chǔ)。