皮帶輸送機節(jié)能變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用

趙云龍

(西山煤電 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200)

0 引言

皮帶輸送機是煤炭行業(yè)的重要機械設(shè)備，在煤炭開采、運輸和洗選過程中起到了關(guān)鍵的作用。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，各行各業(yè)對于能源的需求越來越大，煤炭產(chǎn)量也越來越高，因此皮帶輸送機也向著遠距離、大功率的方向發(fā)展，同時也要求其具有軟啟動、調(diào)速性能好、節(jié)能等特點。本文對原先使用液力耦合器實現(xiàn)軟啟動的皮帶輸送機進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，將PLC技術(shù)和變頻器技術(shù)應(yīng)用在皮帶輸送機驅(qū)動系統(tǒng)中，對驅(qū)動皮帶輸送機的兩臺電機實現(xiàn)了主從兩級控制，解決了多電機驅(qū)動系統(tǒng)的協(xié)同控制問題。

1 變頻器調(diào)速過程

在皮帶輸送機原技術(shù)方案中，軟啟動通過液力耦合器實現(xiàn)，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種方式不但能耗大，而且還容易造成機械設(shè)備磨損，更換和維修的成本都很高。皮帶運輸機的速度也是相對固定的，不能隨著生產(chǎn)過程中的實際煤炭產(chǎn)量進行調(diào)節(jié)，在輕載時存在電能浪費的現(xiàn)象。采用PLC和高壓變頻器對電機進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)軟啟動和動態(tài)調(diào)速，具體的閉環(huán)調(diào)節(jié)過程如圖1所示，設(shè)備啟動后通過傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進一步計算出皮帶運輸機的帶速和運載量，然后與提前設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速和額定運載量進行比較，若這兩個條件中有一個超過了設(shè)定范圍，則進行報警，然后由人工進行緊急處理；若轉(zhuǎn)速和運載量均在額定范圍內(nèi)，則啟動PLC內(nèi)置的優(yōu)化運算程序，算出當前主從電機合理的給定轉(zhuǎn)速，然后將對應(yīng)的控制指令發(fā)送給變頻器，變頻器在控制指令的控制下改變其輸出電壓的頻率大小，進而改變電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)加速和減速的調(diào)速過程。當煤炭生產(chǎn)量大時，該算法最終調(diào)節(jié)的結(jié)果是增大皮帶轉(zhuǎn)速；當煤炭生產(chǎn)量小時，該算法的最終調(diào)節(jié)結(jié)果是減小轉(zhuǎn)速，這樣做既能減少空載時電能的浪費，又能減少皮帶的機械摩擦，延長電機、膠帶和齒輪箱等關(guān)鍵部件的使用壽命。

圖1 皮帶輸送機變頻調(diào)速控制流程圖

2 主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)在煤礦中大量使用的是遠距離、大功率的皮帶輸送機，單個電機驅(qū)動很難滿足其動力要求，常見的大功率皮帶輸送機都是由2到3個電機同時進行驅(qū)動的，因此在對其進行驅(qū)動系統(tǒng)變頻改造時，必須要考慮多個電機的協(xié)同問題，如果出現(xiàn)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不匹配，將會造成膠帶斷裂、機械振動，甚至造成電機和變頻器燒毀。以兩電機皮帶輸送機為例，可以將一臺電機設(shè)為主驅(qū)動電機，另一臺電機設(shè)為從驅(qū)動電機，兩級控制結(jié)構(gòu)負載平衡控制示意圖如圖2所示。在主控變頻器的控制邏輯中，首先接收控制室發(fā)出的轉(zhuǎn)速給定值和速度傳感器檢測的電機轉(zhuǎn)速值，并對二者進行比較，比較的差值作為速度調(diào)節(jié)器的輸入量；其速度調(diào)節(jié)器一般選擇PID控制器，速度調(diào)節(jié)器的輸出量就是給定轉(zhuǎn)矩，主控變頻器一方面將給定轉(zhuǎn)矩給到特定控制方法的程序中，使其發(fā)出對應(yīng)的指令，另一方面通過數(shù)據(jù)傳輸給到從控變頻器的PLC程序中，同樣從控變頻器在這個給定轉(zhuǎn)矩的指令下作出相應(yīng)調(diào)節(jié)動作，除此以外，從控變頻器內(nèi)還有輸出電流檢測模塊，以達到閉環(huán)調(diào)節(jié)的目的。

圖2 兩級控制結(jié)構(gòu)負載平衡控制示意圖

3 常見應(yīng)用問題

(1)高次諧波和電磁干擾。對于井下的皮帶輸送機而言，電磁兼容性問題是很常見的一類問題，因為井下電磁環(huán)境復雜，電氣設(shè)備之間的距離緊湊，相互之間很容易影響。變頻器本身就是一種高頻電磁信號源，如果處理不好信號回路的屏蔽，容易對信號回路造成干擾，形成錯誤指令或保護裝置動作跳閘。因此在調(diào)試過程中應(yīng)注意信號回路的屏蔽作用，必要時應(yīng)增加高頻濾波器。

(2)電源異常。變頻器對供電電壓的要求比原來普通調(diào)速裝置的更高，在實際運行過程中最容易出現(xiàn)的就是供電電源不穩(wěn)定造成的低壓運行，這將導致變頻器輸出電壓低、皮帶輸送機轉(zhuǎn)速不夠等。因此，在皮帶機變頻改造前應(yīng)對井下供電電源進行電能質(zhì)量分析，如果供電電源不達標，應(yīng)首先對供電電源進行改造增容，防止變頻器長期運行在惡劣電壓環(huán)境下。

(3)變頻器過熱。整流二極管和IGBT是變頻器的主要功率器件，功率器件在導通時會有導通電阻，特別是IGBT在高頻開關(guān)過程中會產(chǎn)生開關(guān)損耗，這一部分能量以熱能的形式在環(huán)境中釋放掉。由于皮帶輸送機的工作環(huán)境是在井下，變頻器被安置在防爆腔內(nèi)，無法采用風冷降溫，因此最好采用水冷系統(tǒng)對變頻器進行降溫，防止變頻器過熱爆炸。

(4)機械振動。電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流有關(guān)，如果變頻器發(fā)出的電流有脈動成分，那么就會在電機的轉(zhuǎn)矩中表現(xiàn)出來，電機的轉(zhuǎn)子和機械系統(tǒng)的其他鏈接部件會產(chǎn)生共振，對軸承、電機、齒輪箱等造成沖擊，嚴重時會導致斷齒或變形。在產(chǎn)生機械振動后應(yīng)檢測電流波形，并對波形進行分析，必要時應(yīng)在變頻器輸出端口增加濾波電抗器，防止損壞電機或其他機械設(shè)備。

4 經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過一段時間的試運行，皮帶輸送機變頻控制系統(tǒng)的節(jié)能效果可以被量化表示出來。以1 200 kW(雙電機，每個電機600 kW)皮帶輸送機為例，通過對運轉(zhuǎn)24 h的電能表進行讀數(shù)，技術(shù)改造后的電能為改造前的70%，節(jié)能效果顯著，換算成電費可達到160萬元/年，再加上皮帶和齒輪箱維修和保養(yǎng)方面的人工節(jié)約，預計對這樣一臺皮帶輸送機進行改造后一年的經(jīng)濟效益在180萬元左右。

5 結(jié)束語

將PLC和高壓變頻器應(yīng)用在雙電機驅(qū)動的煤礦皮帶輸送機驅(qū)動系統(tǒng)中，實現(xiàn)了皮帶輸送機的軟啟動和智能調(diào)速。通過傳感器檢測皮帶機的轉(zhuǎn)速和負載大小，與給定轉(zhuǎn)速進行比較后，算法程序進行PID調(diào)節(jié)，發(fā)出加速或減速的控制指令，變頻器在PLC的指令下完成輸出電壓的控制，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制，兩個電機一主一從協(xié)同控制，避免了膠帶斷裂和打滑等現(xiàn)象的發(fā)生。通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，變頻器在煤礦皮帶機應(yīng)用中有高次諧波和電磁干擾、電源異常等問題，需要后續(xù)改進。本次改造的節(jié)能效果在30%左右，具有良好的示范作用。