帶式輸送機變頻驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與測試

謝志清

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團元甲煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

帶式輸送機廣泛應(yīng)用于煤礦井下輸送系統(tǒng)，將綜掘、綜采工作面開采出的煤料由井下傳送至井口。傳統(tǒng)帶式輸送機運行過程為恒速運行，即以額定速度運行，缺點為存在空載或者輕載時，電能浪費現(xiàn)象嚴(yán)重；存在重載或者超載現(xiàn)象時，對設(shè)備機械部件沖擊過大并縮短使用壽命[1]。為提高帶式輸送機運行效率，使得帶式輸送機帶速能夠根據(jù)負(fù)載變化自適應(yīng)調(diào)速，煤礦企業(yè)以及科研院校針對帶式輸送機驅(qū)動系統(tǒng)展開廣泛的研究，如文獻(xiàn)[2]基于DSP 控制器為核心部件，建立帶式輸送機帶速與負(fù)載動態(tài)變化模型，以變頻驅(qū)動模式實現(xiàn)帶式輸送機自適應(yīng)調(diào)速；文獻(xiàn)[3]研究了帶式輸送機機頭、機尾變頻驅(qū)動功率平衡問題，通過調(diào)節(jié)變頻驅(qū)動頻率，實現(xiàn)機頭、機尾電動機功率平衡，實現(xiàn)最優(yōu)變頻驅(qū)動方案。文獻(xiàn)[4]重點研究了膠帶輸送機變頻調(diào)速方案，建立模糊PID 控制系統(tǒng)完成調(diào)速。文章以帶式輸送機為研究對象，設(shè)計一主二從帶式輸送機變頻驅(qū)動方案，并在試驗室環(huán)境完成帶式輸送機多種工況測試。

1 方案設(shè)計

煤礦用帶式輸送機包括機頭/機尾驅(qū)動電機、驅(qū)動滾筒、減速機、制動系統(tǒng)裝置、皮帶帶面、機架托輥、皮帶張緊系統(tǒng)等裝置。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況需求，結(jié)合帶式輸送機靜態(tài)、動態(tài)特性，為保障帶式輸送機安全、可靠、高效、平穩(wěn)運行，從以下兩個方面進行系統(tǒng)方案設(shè)計：一是結(jié)合帶式輸送機使用工況，確定其運量、帶寬、長度、帶速、帶強、軸功率、驅(qū)動電機功率等關(guān)鍵參數(shù)；二是根據(jù)帶式輸送機動力學(xué)模型，確定機頭/機尾驅(qū)動裝置布置方式，為同軸四驅(qū)動，一主兩從驅(qū)動方式。為保證運行的穩(wěn)定性、可靠性，選用ABB 公司ACS1000 變頻器[5-6]，并確定變頻器間通信方式為CAN 總線通信，變頻器與驅(qū)動系統(tǒng)控制器之間選用通過CAN 總線通信連接，如圖1 所示。設(shè)計PLC 控制箱，其主要功能是與另外PLC 柜、變頻器、變壓器、操作平臺、集控平臺通信交換數(shù)據(jù)，進行操作臺的功能設(shè)計，操作臺主要是便于帶式輸送機司機操作，盡可能發(fā)揮人機界面強大作用，準(zhǔn)確顯示每臺設(shè)備的主要狀態(tài)參數(shù)，并將每臺設(shè)備故障信息動作記錄，方便處理故障，并對主要設(shè)備實時數(shù)據(jù)做好記錄。

圖1 帶式輸送機變頻驅(qū)動主從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)部分設(shè)計以西門子S7-300 CPU 為核心，硬件構(gòu)成如圖2 所示，核心CPU 模塊為CPU 315-2DP，由電源模塊PS307 提供DC24V 電源。根據(jù)帶式輸送機變頻驅(qū)動功能，需擴展直流32 點數(shù)字量輸入模塊SM321 一個、繼電器16點數(shù)字量輸出模塊SM322 一個、通信模塊CP343-1一個，通信模塊CP340 一個。

圖2 帶式輸送機變頻驅(qū)動系統(tǒng)硬件CPU 構(gòu)成

2 方案測試

2.1 帶式輸送機空載啟動時驅(qū)動滾筒的電流、轉(zhuǎn)矩和速度曲線分析

根據(jù)后臺監(jiān)控系統(tǒng)，觀察帶式輸送機在空載啟動時驅(qū)動滾筒的電流、轉(zhuǎn)矩和速度曲線的走勢分析。在啟動初始階段時變頻器輸出電流只有激磁電流。電機激磁后，開始旋轉(zhuǎn)，因電流只有激磁電流，沒有負(fù)載的做功電流，所以驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不大，同時在很小的范圍波動。所以啟動初始階段電流上升比較緩和。隨著電機的加速運行，電流和轉(zhuǎn)矩因主要克服電機的加速會逐步加大，此時電機的電流主要為勵磁電流和克服電機加速度的電流，但是當(dāng)電機到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時，電機的電流就趨于勵磁電流，轉(zhuǎn)矩此時又會接近0[7-8]。所以帶式輸送機在空載啟動加速時，能夠滿足驅(qū)動力和速度變化的要求，如圖3 所示。

圖3 空載起動力矩和速度曲線圖

2.2 帶式輸送機緊急制動、正常停機情況下輸出的轉(zhuǎn)矩速度曲線分析

根據(jù)后臺監(jiān)控情況，詳細(xì)分析帶式輸送機分別在緊急制動、正常停機情況下，驅(qū)動滾筒輸出的轉(zhuǎn)矩變化情況、帶式輸送機速度曲線的變化情況。帶式輸送機停機時變頻器輸出電流會逐漸較小，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變成反向的轉(zhuǎn)矩，此時把電機拉停，逐漸減到很小時，驅(qū)動變頻器會封鎖輸出脈沖。同時由于變頻器的輸出電抗器的阻抗作用，電流會反向上升，短時間再逐漸降到0。根據(jù)帶式輸送機電流和力矩曲線分析，帶式輸送機出現(xiàn)緊急制動、正常停車情況下，驅(qū)動系統(tǒng)完全滿足輸出轉(zhuǎn)矩變化的要求，如圖4 所示。

圖4 停機時力矩和速度曲線圖

2.3 帶式輸送機負(fù)載量發(fā)生變化時電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線分析

根據(jù)后臺監(jiān)控情況，在帶式輸送機負(fù)載量發(fā)生變化時，觀察電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線的變化。隨著帶式輸送機的運輸特性在搭接點逐步加載，驅(qū)動電機所需電流也在逐步加大，因此變頻器輸出電流逐步加大，電流和轉(zhuǎn)矩都會比空載時大一些。隨著負(fù)載逐步緩慢加大，此時的電機電流不僅是勵磁電流，還需一部分電流克服負(fù)載做功，因此電流會逐步增加，轉(zhuǎn)矩也是如此。因此分析，帶式輸送機驅(qū)動變頻系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩變化，能夠滿足帶式輸送機負(fù)載量的變化需求，并自動平穩(wěn)調(diào)整，性能安全可靠，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

2.4 帶式輸送機加速、減速情況下曲線分析

根據(jù)后臺監(jiān)控帶式輸送機運行情況，測試分別在加速、減速情況下，分析變頻驅(qū)動系統(tǒng)的速度變化曲線、輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線，判定是否滿足要求。帶式輸送機速度的變化主要是存在于開機起動加速和停機減速階段，驅(qū)動系統(tǒng)的速度走向主要是跟隨變頻器給定的加速斜坡曲線，根據(jù)觀察，實際速度能夠根據(jù)變頻器的加速度緩慢上升或下降，直至速度達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，力矩根據(jù)加速度可靠變化，曲線走向穩(wěn)定、可靠，滿足帶式輸送機運行需求。

2.5 帶式輸送機節(jié)能效果分析

在煤礦的實際生產(chǎn)過程中，大部分時間帶式輸送機是不能滿載運行的。輕載和空載的情況時有發(fā)生，這就存在電能損耗。帶式輸送機的驅(qū)動系統(tǒng)裝有變頻器，電機與減速器之間去掉了液力偶合裝置，是直接的硬聯(lián)接，空載起動時，大大地提高了傳送效率，節(jié)約了能耗。實際運行過程中它可以根據(jù)皮帶的實際載重量調(diào)節(jié)皮帶速度，降低能耗。在生產(chǎn)中，還會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)等現(xiàn)象，使用變頻器后，變頻器具有失電跨越功能，通過變頻器調(diào)節(jié)可以保證在電壓不穩(wěn)的情況下，有效減少停機次數(shù)，減小起動能耗。

3 結(jié)語

基于西門子CPU315-2DP 為核心，設(shè)計帶式輸送機一主二從變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，以CAN 總線通信模式實現(xiàn)控制系統(tǒng)與變頻器之間、變頻器與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸；在試驗試驗環(huán)境中完成帶式輸送機空載啟動、加減速、負(fù)載突變、正常運行等多場景試驗并分析電流、轉(zhuǎn)速、速度曲線變化規(guī)律；設(shè)計并實現(xiàn)的帶式輸送機變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠保證設(shè)備高效、節(jié)能、安全運行。