變頻技術(shù)在帶式輸送機遠距離運輸中的應(yīng)用研究

趙剛

關(guān)鍵詞：變頻技術(shù);帶式輸送機;遠距離運輸

0引言

隨著煤炭工藝的不斷進步，帶式輸送機以其多點啟動、大功率以及長距離等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用至煤礦開采過程中。但帶式輸送機的啟動摩擦力較大，經(jīng)常處于滿載運行狀態(tài)，需要張緊輸送帶后才可以啟動，并且會出現(xiàn)沖擊載荷大，驅(qū)動電機出力不均等問題。因此，啟動時應(yīng)減小加速度，保證平穩(wěn)性。在長距離運輸中，帶式輸送機大多存在傳動效率低，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，包括輸送帶斷裂、輸送帶與液力耦合器磨損嚴重以及諧振跳帶等方面。通過使用變頻技術(shù)可以改變輸送機的供電頻率，提高整體的運輸效率。且改造后可以任意調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加速時問，滿足軟啟動特點，延長了輸送帶的使用壽命，達到了明顯的節(jié)能效果。

1變頻調(diào)速技術(shù)工作原理

1.1技術(shù)原理

電子器件與控制電路均屬于變頻調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵因素，主要變換大功率電能，包括電壓、波形以及頻率等方面，之后利用變換后的電能驅(qū)動電動機，利用機械裝置將電能轉(zhuǎn)化為工作系統(tǒng)所需機械能，保證系統(tǒng)運行效率與節(jié)能效果。為了完成上述功能，應(yīng)集中傳感器、計算機以及電子電路等部件，采集電機拖動系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)信息，進行實時控制，以保證變頻調(diào)速的控制效果，達到預(yù)期水平。

傳感器、計算機控制器以及執(zhí)行器等均屬于變頻調(diào)速裝置的組成部分。傳感器在電機拖動系統(tǒng)的特殊部位進行安裝，完成壓力、溫度、流量以及轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息的采集工作，并形成約定標準信號的形式，以此反饋至計算機控制系統(tǒng)，保證控制運算的合理運行。執(zhí)行器分為2種類型，其中通斷開關(guān)、閥門以及繼電器等機電裝置由計算機的控制器進行控制;變頻器則接收由計算機控制器輸出模擬量或數(shù)字量的控制信號，根據(jù)電能形態(tài)的轉(zhuǎn)換要求改變電能的波形、電壓以及頻率等指標，保證運行調(diào)速效果。計算機控制器在變頻器內(nèi)置微處理器中安裝，控制調(diào)速，實現(xiàn)矢量、轉(zhuǎn)差頻率以及直接轉(zhuǎn)矩的有效控制，改善電機的運行狀態(tài)。此控制閉環(huán)包括電動機、變頻器、傳感器等部件，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的負載啟動，根據(jù)工作參數(shù)要求最大程度地節(jié)約電能。

1.2控制裝置系統(tǒng)形態(tài)

（1）開環(huán)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。不包括計算機控制器與傳感器設(shè)備，屬于早期的變頻調(diào)速控制裝置，設(shè)定值由人工完成，利用變頻器設(shè)備完成調(diào)速。

（2）直接數(shù)字控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)。利用輸入通道采集變頻工作數(shù)據(jù)信息，了解設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過模擬量輸出通道輸出開停與制動等控制信號，根據(jù)開關(guān)量確定設(shè)備啟?？刂菩盘柵c系統(tǒng)運行狀態(tài)的指示信息，且運算、處理以及變換信息主要在計算機內(nèi)以數(shù)字量形式實現(xiàn)。

（3）分布式變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括分級管理、分散控制以及集中操作等模式，實現(xiàn)綜合協(xié)調(diào)，形成分級分布式的控制模式。

2帶式輸送機變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)核心為變頻器，利用計算機智能控制算法優(yōu)化帶式輸送機的運行負荷，此變頻系統(tǒng)可以平衡功率，具備良好的啟停功能，在減少能耗、合理控制帶式輸送機運行速度的基礎(chǔ)上，保證了運行效果。其主要結(jié)構(gòu)包括給負載提供調(diào)壓調(diào)頻電源的主電路、將工頻電源變換為直流電源的整流器、消除回路中諧波的平波回路、將直流功率變換為所要求頻率功率的逆變器及變頻器保護系統(tǒng)等多個部分。礦用隔爆交流變頻器可以實現(xiàn)帶式輸送機的軟啟與軟停，有效調(diào)節(jié)運行頻率;帶式輸送機節(jié)能控制箱可以實現(xiàn)邏輯控制、通信處理與算法計算。

3變頻技術(shù)在帶式輸送機遠距離運輸中的應(yīng)用研究

3.1帶式輸送機運行情況

某煤礦兩條帶式輸送機的整機長度約為340m，測量可知運量為700t/h?？蛰d運行前設(shè)備電機電流為40A，采用可控硅軟啟動模式，后電機電流為50A;負載時前電機運行電流為90A，后電機電流為70A，前后電機電流差別較大。且原采用調(diào)速摩擦式耦合器，無法實現(xiàn)調(diào)速運行且工作效率較低，具備較大的啟動電流。且啟動期間需要較大加速度，輸送帶持續(xù)波動被抑制，張力較小，無法動態(tài)管理帶式輸送機的遠距離運行。

3.2改造措施

分析煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)可知，煤礦帶式輸送機為機頭雙驅(qū)，S型包角，運行功率嚴重不平衡。2臺電機的電流運行差別較大，前電機運行負荷過重，多次出現(xiàn)減速箱故障問題，嚴重影響了煤礦的開采效果，為企業(yè)帶來較大經(jīng)濟損失。將幾種改進方案進行比較，結(jié)合變頻啟動優(yōu)勢，制定了可行的變頻改造方案，增加2臺逆變箱、1臺濾波電抗箱、1臺整流回饋箱以及1臺操作臺。

（1）整流回饋。煤礦開采過程中的供電電壓較高，一般會超出普通變頻器的供電電壓要求，當(dāng)變頻器使用普通二極管時，變頻器直流母線電壓會出現(xiàn)過高問題，而導(dǎo)致故障問題的發(fā)生，對此應(yīng)將整流回饋系統(tǒng)應(yīng)用至公共電源中，在合理范圍內(nèi)控制直流母線電壓，采用全控橋整流模式，以保證變頻器設(shè)備的四象限運行，滿足變頻器電源的使用要求，提升設(shè)備運行的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）濾波單元。網(wǎng)側(cè)配置為1臺濾波電抗箱，保證變頻器與整流回饋單元在運行期間產(chǎn)生諧波電流濾波，避免受到電源的過多干擾。

（3）主從同步。保證功率最大程度的平衡效果，保證主從同步與功率的平衡效果。當(dāng)傳送帶被雙機或多機進行控制時，應(yīng)采用無傳感器矢量控制模式，其中1臺輸送機被設(shè)置為主機，從機為其他輸送機。之后主機采用速度控制模式，從機采用轉(zhuǎn)矩控制方法。通過CAN總線，為從機傳遞主機輸出的轉(zhuǎn)矩，并將其設(shè)定為從機主轉(zhuǎn)矩給定。從機在接收主機運行頻率后，完成誤差PID計算，并保證給定轉(zhuǎn)矩的合理調(diào)整，保證從機與主機的同步控制與功率平衡。

（4）啟停帶式輸送機，保證重載啟動的合理性與可行性。在啟動時應(yīng)結(jié)合采用變頻器軟啟動與電機軟啟動模式，電動機實現(xiàn)慢速啟動，緩慢啟動帶式輸送機，緩緩釋放輸送帶內(nèi)部儲存的能量，降低帶式輸送機啟動過程中的張力波，不影響輸送帶的運行。且由于整個過程采用適量控制模式，重載啟動時轉(zhuǎn)矩較大且平滑，不會產(chǎn)生沖擊電流。

3.3應(yīng)用效果

經(jīng)過改造后進行2個月的試運行，發(fā)現(xiàn)改造前的問題得到合理解決，運行效果良好。一是平衡功率，當(dāng)2部帶式輸送機進行空載運行時，主機與從機的電流誤差應(yīng)保持在6A范圍內(nèi)，重載時保持在5A以內(nèi)，功率的平衡效果良好。分析看出，改造后帶式輸送機全天運行良好，功率基本平衡。二是減小了電能消耗，電動機在重載運行時的功率因數(shù)較高，空載時功率因數(shù)較低，但也在0.5～0.6之間，因此變頻器在任何時候均具備較高的功率因素，且2臺帶式輸送機采用電動機驅(qū)動，功率為250kW，改造后電動機功率因數(shù)明顯降低，每天可以運行14h，消耗電能也大幅度減少。經(jīng)計算可知，改造后的帶式輸送機系統(tǒng)每天可以節(jié)約251kw·h電能。三是降低了停機率，有效延長了帶式輸送機的使用時間，系統(tǒng)改造后實現(xiàn)了重載與空載平滑的軟啟動，避免了對輸送帶的沖擊，在延長輸送帶與其他機械設(shè)備使用時間的基礎(chǔ)上，降低了機械設(shè)備的維修量與停機幾率，保證了生產(chǎn)效率，為企業(yè)贏得了更大的經(jīng)濟與社會效益。

4結(jié)束語

某煤礦帶式輸送機系統(tǒng)在采用變頻技術(shù)后，可以有效調(diào)節(jié)加速時間，滿足了軟啟動效果。為了保證帶式輸送機的重載平穩(wěn)啟動，應(yīng)采用高精度控制轉(zhuǎn)矩方法，避免沖擊電網(wǎng)，保證主從機功率的平衡性，在降低故障發(fā)生幾率的基礎(chǔ)上，提高了傳動效率，節(jié)約了電能。