交流變頻技術(shù)在刮板輸送機中的應(yīng)用及優(yōu)化

劉子榮

（晉能煤業(yè)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

引言

刮板輸送機與采煤機、液壓支架統(tǒng)稱為綜采工作面的“三機”，其不僅為采煤機牽引提供軌道，而且還為液壓支架的推溜提供支撐。目前，隨著采煤技術(shù)和采煤設(shè)備自動化水平的不斷提高，對刮板輸送機的自動化水平和運輸能力也提出了更高的要求。在實際生產(chǎn)中，由于工作面環(huán)境惡劣，刮板輸送機主要面臨著啟動困難、零部件性能較差且智能化水平偏低的問題[1]。

交流變頻技術(shù)為刮板輸送機主要采用的控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化對于提升工作面生產(chǎn)能力和自動化、智能化水平具有重要意義。

1 礦用刮板輸送機現(xiàn)狀及負(fù)載特性研究

1.1 礦用刮板輸送機現(xiàn)狀

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機和液壓支架相互配套的輸送機，在實際生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到重載啟動或載荷突變的情況。當(dāng)前刮板輸送機的調(diào)速系統(tǒng)無法根據(jù)工況的變化進行實時調(diào)控，在出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況下導(dǎo)致能耗嚴(yán)重，或?qū)е聦υO(shè)備和電氣部件造成沖擊。因此，應(yīng)實現(xiàn)刮板輸送機的變頻調(diào)速功能，保證刮板輸送機電機輸出功率與其運量和運速相互匹配，在達到節(jié)能效果的同時，也對刮板輸送機的相關(guān)設(shè)備起到保護作用。

目前，由于工作面生產(chǎn)能力的增加，刮板輸送機也發(fā)展為雙電機驅(qū)動系統(tǒng)。對于雙電機驅(qū)動系統(tǒng)而言，面臨的主要問題是如何在變頻調(diào)速系統(tǒng)下實現(xiàn)兩電機的功率平衡控制。

因此，本文將重點針對上述問題對刮板輸送機進行改造優(yōu)化。

1.2 礦用刮板輸送機負(fù)載特性分析

刮板輸送機傳動系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機傳動系統(tǒng)原理圖

如圖1 所示，刮板輸送機傳動系統(tǒng)主要包括有液力耦合器、減速器、刮板鏈、電機以及鏈輪機軸等。液力耦合器和減速器為傳動電機驅(qū)動力的核心裝置；刮板鏈為傳遞動力的裝置。在實際運輸過程中，往往在刮板輸送機機頭和機尾位置各布置一臺傳動系統(tǒng)，從而保證整個傳動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為解決刮板輸送機經(jīng)常面臨的重載啟動和載荷突變的運行工況，常通過采用交流變頻驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)對刮板輸送機的控制，從而降低突變工況下運行對設(shè)備造成的沖擊，進一步提升刮板輸送機運行的安全性，降低設(shè)備能耗和機械沖擊[2]。

對于一般多電機驅(qū)動刮板輸送機而言，解決電機功率不平衡問題尤為重要。實際應(yīng)用中常通過采用順序啟動方式降低多電機驅(qū)動所帶來的功率不平衡問題，一般先啟動機尾驅(qū)動電機，而后啟動機頭驅(qū)動電機。該種控制方式對重載啟動時所帶來的功率不平衡問題最為有效。

2 交流變頻技術(shù)在刮板輸送機的應(yīng)用

2.1 變頻一體化驅(qū)動裝置的應(yīng)用

對于綜采工作面相對惡劣的工作環(huán)境，除了實現(xiàn)對刮板輸送機常規(guī)的變頻調(diào)速控制外，還需消除各個電氣設(shè)備之間的電磁干擾，以進一步提升刮板輸送機運行的穩(wěn)定性和可靠性[3]。因此，基于交流變頻技術(shù)將傳統(tǒng)的變頻器改造為變頻一體化驅(qū)動裝置應(yīng)用于刮板輸送機中，其對應(yīng)的電氣原理如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，變頻一體驅(qū)動裝置的變頻部分又可細(xì)分為主回路、驅(qū)動回路、主控制回路、顯示系統(tǒng)等。同時，變頻一體裝置變頻部分所采用的結(jié)構(gòu)形式為交-直-交流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 變頻一體驅(qū)動裝置電氣原理圖

針對變頻一體驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)涉及到關(guān)鍵內(nèi)容包括對功率平衡、硬件、軟件等進行設(shè)計。對于變頻一體驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)的功率平衡控制而言，主要實現(xiàn)途徑為通過主電機對各個電機進行控制。變頻一體化驅(qū)動裝置采用Rockwell 集成化網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)完成信息層、設(shè)備層和控制層的設(shè)計；變頻一體驅(qū)動裝置采用Logix550 編程軟件對控制程序進行設(shè)計；此外，將變頻一體驅(qū)動裝置對帶式輸送機的啟動、停止以及變頻調(diào)速功能與刮板輸送機的常規(guī)保護功能相結(jié)合。

2.2 基于交流變頻刮板輸送機的配套

本文所研究刮板輸送機的應(yīng)用工作面的實際生產(chǎn)能力為37000 t/h，工作面的設(shè)計長度為300 m，所配套刮板輸送機的運輸速度為1.5 m/s。結(jié)合上述參數(shù)和理論計算選型得出合理且相配套的刮板輸送機，具體型號為SGZ1000/3000 的中雙鏈變頻刮板輸送機，該型刮板輸送機的運輸速度為0～1.7 m/s，電機額定功率為1000 kW，鏈條中心距離為280 mm。結(jié)合現(xiàn)場使用工況，為確保變頻技術(shù)能夠充分發(fā)揮其作用，對刮板輸送機的關(guān)鍵零部件及控制策略的設(shè)計也尤為重要。

3 基于交流變頻技術(shù)刮板輸送機的優(yōu)化

本小節(jié)主要從刮板輸送機零部件性能、智能控制水平等方面對刮板輸送機進行優(yōu)化，以確保交流變頻技術(shù)能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.1 刮板輸送機機械零部件的優(yōu)化

為解決刮板輸送機傳統(tǒng)機頭架容易發(fā)生煤塊堆積，從而增加運行阻力加劇設(shè)備磨損的情況。將原刮板輸送機的機頭架采用交叉卸式布局形式，并采用中板開天窗的結(jié)構(gòu)，從而降低煤炭的卸料高度，降低了刮板輸送機在卸煤過程中的運行阻力，明顯提升整機的運輸效率，降低故障率。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機頭架優(yōu)化效果

3.2 刮板輸送機啟動方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)刮板輸送機主要采用直接啟動方式，該種啟動方式在載荷突變或者重載啟動時會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，對應(yīng)的電流值為刮板輸送機額定電流值的6 倍左右，嚴(yán)重影響同一個電網(wǎng)系統(tǒng)其他設(shè)備的運行。因此，本工程中刮板輸送機采用交流變頻技術(shù)中的CST 控制方式對其進行控制。實踐表明，CST 控制方式能夠明顯在載荷突變和重載啟動工況下降低對電網(wǎng)的沖擊，從而減小對相關(guān)機械零部件的沖擊。

3.3 刮板輸送機功率平衡控制的優(yōu)化

多電機驅(qū)動為刮板輸送機主要發(fā)展趨勢，由于實際工況中刮板輸送機負(fù)載不均勻問題極易帶來各個電機功率不平衡問題，隨時可能造成電機燒毀的問題發(fā)生。因此在交流變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上還需設(shè)計有效的功率平衡控制流程，保證當(dāng)刮板輸送機運輸中負(fù)載發(fā)生變化時可對多臺電機的功率進行平衡分配。

在比對PID 控制算法和模糊控制算法的基礎(chǔ)上，最終確定采用模糊PID 算法實現(xiàn)對刮板輸送機的功率平衡控制，對應(yīng)的程序流程如圖4 所示。

圖4 雙電機功率平衡控制流程圖

4 結(jié)語

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機和液壓支架相配套的運輸設(shè)備，其不僅為采煤機牽引提供軌道，而且還為液壓支架的移架推溜操作提供支撐。對于刮板輸送機而言，如何保證其運輸能力和自動化控制化水平對綜采工作面生產(chǎn)能力尤為重要。本文主要在交流變頻技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上對刮板輸送機進行優(yōu)化，具體總結(jié)如下：

1）采用變頻驅(qū)動一體化裝置不僅可以解決其在載荷突變或重載啟動時對電網(wǎng)和機械設(shè)備造成的沖擊問題，而且還能夠解決刮板輸送機電氣裝置之間的電磁干擾問題；

2）采用交叉卸式布局的機頭架形式可以有效解決塊煤堆積而造成的運輸效率低、磨損嚴(yán)重的問題；

3）基于模糊PID 控制算法實現(xiàn)對刮板輸送機多電機的功率平衡控制，可有效解決電機燒毀的問題。