變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)在煤礦帶式輸送機(jī)上的運(yùn)用

陳龍龍

（國(guó)能蒙西煤化工股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)營(yíng)科，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯）

煤礦帶式輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)，會(huì)在空載、輕載、滿載等多種狀態(tài)下不斷變換。由于目前多數(shù)帶式輸送機(jī)都是采取恒頻定速控制，運(yùn)量發(fā)生改變后帶速仍然維持原樣，容易出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，造成能量的浪費(fèi)。為了響應(yīng)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展的號(hào)召，必須要將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到煤礦帶式輸送機(jī)上，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的運(yùn)量和帶速，根據(jù)程序運(yùn)算判斷兩者是否為最佳匹配；如果不匹配，則利用變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使兩者重新恢復(fù)最佳匹配，讓帶式輸送機(jī)在變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上始終維持低能耗運(yùn)行。

1 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)由檢測(cè)模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊3 部分構(gòu)成，核心設(shè)備有帶速傳感器、PLC 控制器、變頻調(diào)速器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)的檢測(cè)功能由輸送機(jī)皮帶秤和帶速傳感器共同實(shí)現(xiàn)，前者負(fù)責(zé)采集運(yùn)量信號(hào)，后者負(fù)責(zé)采集帶速信號(hào)，收集到的信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入PLC 中。PLC 控制器順利接收檢測(cè)信號(hào)后，利用內(nèi)置程序完成智能判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出控制指令，執(zhí)行模塊的變頻器根據(jù)控制指令改變電動(dòng)機(jī)的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、功率平衡、速度與頻率調(diào)節(jié)等多項(xiàng)控制功能[1]。使用變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)后，可以讓運(yùn)量與帶速兩個(gè)變量之間始終維持最佳匹配關(guān)系，從而兼顧效率與節(jié)能，讓帶式輸送機(jī)以最佳工況運(yùn)行。

2 變頻調(diào)速節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與選型

2.1 雙CPU 冗余技術(shù)

PLC 控制器是變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)的核心，除了中央處理器（CPU）外，還包括存儲(chǔ)器、I/O 接口、電源等?？紤]到帶式輸送機(jī)的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性與安全性，本文在設(shè)計(jì)中采用了雙CPU 冗余技術(shù)。同時(shí)，每一臺(tái)CPU 使用獨(dú)立的電源供電和獨(dú)立的通信模塊，兩臺(tái)CPU 一主一備，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。其中一臺(tái)CPU 作為主控系統(tǒng)，對(duì)全部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；另一臺(tái)CPU 作為備控系統(tǒng)，同步監(jiān)測(cè)主控制系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。當(dāng)監(jiān)測(cè)到主控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，立即切換至備控系統(tǒng)，確保帶式輸送機(jī)的正常使用。在CPU 的選型上，選用了羅克韋爾公司生產(chǎn)的ACN15 型可編程控制器，通過局域網(wǎng)與前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2.2 節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

本文基于變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，是由PLC 根據(jù)負(fù)載變化不斷調(diào)節(jié)變頻器的電源頻率，在滿足帶式輸送機(jī)運(yùn)行需要的前提下最大程度的降低能源消耗。PLC 控制器的程序設(shè)計(jì)如下：

（1） 主控制程序。PLC 主程序能夠?qū)崿F(xiàn)從起車預(yù)警、保護(hù)自檢，到數(shù)據(jù)檢測(cè)和變頻調(diào)速等整個(gè)過程的控制。在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)后，通過保護(hù)自檢判斷車機(jī)工況是否正常。如果檢測(cè)到異常，則直接報(bào)警；如果未檢測(cè)到異常，則車機(jī)正常啟動(dòng)。主控制程序如圖2所示。

圖2 PLC 主控制流程圖

（2） 啟動(dòng)預(yù)警程序。此程序的功能是實(shí)現(xiàn)開車預(yù)警，系統(tǒng)在接收到啟動(dòng)指令后，隨即運(yùn)行啟動(dòng)預(yù)警程序，依次進(jìn)行兩個(gè)判斷程序“保護(hù)自檢是否正常？”“制動(dòng)閘是否松閘？”如果自檢異常，則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)禁止啟動(dòng)；同樣的，如果檢測(cè)到制動(dòng)閘未松閘，則立即松閘。然后油泵上電啟動(dòng)，并檢測(cè)油泵是否正常。在油泵正常運(yùn)行后，選擇風(fēng)扇啟動(dòng)模式，有“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種模式，選擇對(duì)應(yīng)模式后啟動(dòng)風(fēng)扇[3]。完成上述自檢程序后，變頻器投入運(yùn)行。

（3） 帶速和煤量測(cè)量程序。帶速和煤量是帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的2 個(gè)關(guān)鍵輸入量，前端傳感器將采集到的帶速和煤量2 種模擬信號(hào)輸入到PLC 控制器中，由PLC 完成數(shù)據(jù)計(jì)算、分析，根據(jù)預(yù)設(shè)程序輸出模擬信號(hào)，變頻器接收該信號(hào)后調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速。帶速和煤量的測(cè)量與PLC 控制程序如圖3 所示。

圖3 帶速和煤量測(cè)量控制流程圖

除了上述主要程序外，帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)的程序還有功率平衡控制程序、節(jié)能調(diào)速控制程序、制動(dòng)停車控制程序、聯(lián)鎖互鎖控制程序等。

3 變頻調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

3.1 變頻調(diào)速原理

變頻器（VFD）根據(jù)直流工作回路的不同，可以分為電壓型和電流型兩種類型，本文基于帶式輸送機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和控制需要，選擇電流型變頻器。其結(jié)構(gòu)主要包括輸入濾波模塊、整流模塊、直流濾波模塊、制動(dòng)模塊和逆變模塊等。其中，輸入和輸出濾波模塊的功能是抑制變頻器對(duì)系統(tǒng)中其他電氣設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾恒流模塊可以改變電壓與頻率，使交流電變成直流電；轉(zhuǎn)換后的直流電存在高次諧波，因此在設(shè)計(jì)變頻調(diào)速裝置時(shí)還加入了直流濾波模塊，能夠消除高次諧波、抑制電流脈動(dòng)。變頻調(diào)速原理如下：

交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（v）與電源頻率（F）、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率（n）和電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)（m）有關(guān)，計(jì)算公式如下：

結(jié)合上式可知，要想調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以從電動(dòng)機(jī)的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)3 方面做出調(diào)整。其中，轉(zhuǎn)差率和定子繞組的極對(duì)數(shù)在電動(dòng)機(jī)出廠時(shí)已經(jīng)確定，無(wú)法改變；只能調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速[4]?；诖?，本文提出了一種V/F 比恒定控制方式，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速。

3.2 變頻調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)

本文研究的帶式輸送機(jī)由3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，每1 臺(tái)電動(dòng)機(jī)配備1 臺(tái)三菱MVG-2000/10/6k 型變頻器，進(jìn)行“一拖一”運(yùn)行。3 臺(tái)電動(dòng)機(jī)在1 臺(tái)主從控制器的控制下相互獨(dú)立運(yùn)行，相互之間保證速度同步和轉(zhuǎn)矩平衡。其中1 臺(tái)變頻器為基于速度控制的主傳動(dòng)；另外2 臺(tái)變頻器為基于轉(zhuǎn)矩控制的從傳動(dòng)，控制原理如圖4 所示。

圖4 主斜井帶式輸送機(jī)控制原理圖

PLC 控制器和變頻器位于地面配電室，利用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，保證了控制響應(yīng)的速度。變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 負(fù)荷檢測(cè)與電機(jī)速度給定控制。根據(jù)當(dāng)前負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)變速器的分級(jí)調(diào)速。以壓力突變檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際負(fù)載作為開關(guān)量輸入信號(hào)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的給定值也會(huì)改變，基于限流加速技術(shù)調(diào)節(jié)變速器的速度；（2） 變頻器故障檢測(cè)。當(dāng)變頻器出現(xiàn)欠電壓、過電壓、接地短路等故障時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行故障報(bào)警。PLC 根據(jù)故障信息作出決策，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；（3） 上位機(jī)通訊。在變速器和上位機(jī)之間建立通信，提高了前端數(shù)據(jù)的上傳效率和終端指令的下達(dá)速度，通過靈活調(diào)速達(dá)到理想的節(jié)能效果[5]。

4 變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用效果

某煤礦的主斜井井筒長(zhǎng)度3 177 m，傾角為5.8°，垂直高度325 m，煤的松散容重為884 kg/m3。帶式輸送機(jī)的輸送能力為2 920 t/h，額定帶速為6.2 m/s，托輥間距1.5 m，托輥槽角35°，傳動(dòng)滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.3，基本參數(shù)見表1。

表1 主斜井帶式輸送機(jī)基本參數(shù)表

使用上文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)控制帶式輸送機(jī)，對(duì)比該系統(tǒng)使用前后帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率和節(jié)能效益。

4.1 運(yùn)輸效率對(duì)比

結(jié)合帶式輸送機(jī)的基本參數(shù)，平均每小時(shí)的運(yùn)量（Q）可由下式求得：

上式中，M 表示礦井設(shè)計(jì)含量，這里取5×106t/a；a 表示每年工作天數(shù)，這里以330 天計(jì)；b 表示每天的工作時(shí)數(shù)，這里取16 t/d。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入上式后，求得帶式輸送機(jī)平均每小時(shí)的運(yùn)量約為947 t/h。相應(yīng)的，帶式輸送機(jī)的冗余比（λ）為：

在改造前，帶式輸送機(jī)無(wú)論是在滿載、空載還是輕載狀態(tài)，都保持恒定速度運(yùn)行，運(yùn)輸效率不高；使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)后，會(huì)根據(jù)運(yùn)量的不同靈活調(diào)節(jié)帶速，通過變速運(yùn)行提高了運(yùn)輸效率。

4.2 電氣節(jié)能對(duì)比

主斜井有2 臺(tái)帶式輸送機(jī)同步作業(yè)，平均輸出功率42 Hz。根據(jù)往年帶式輸送機(jī)的運(yùn)行情況，變頻器是消耗功率大約為額定功率的60%。1#輸送機(jī)的全年耗電量（W1）為：

同理可以求得2# 輸送機(jī)的全年耗電量W2為1.04×107kWh。使用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行改造后，帶式輸送機(jī)變頻器的平均輸出功為40 Hz，電動(dòng)機(jī)輸出功率為710 kW，改造后1#輸送機(jī)的全年耗電量（M1）為：

同理可以求得2#輸送機(jī)改造后的全年耗電量為0.96×107kWh。改造前后的能耗對(duì)比見表2。

表2 帶式輸送機(jī)改造前后能耗情況對(duì)比表（單位：kWh）

由表2 數(shù)據(jù)可知，使用本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行改造后，帶式輸送機(jī)每年可節(jié)約0.29×107kWh 的電量，節(jié)電效率（η）為：

改造后節(jié)電效率達(dá)到了12.2%，節(jié)能效益顯著。

5 結(jié)論

帶式輸送機(jī)是煤礦開采作業(yè)的重要設(shè)備，也是主要的能耗設(shè)備?；谧冾l調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，根據(jù)帶式輸送機(jī)的當(dāng)前運(yùn)量調(diào)整帶速，保證帶速和運(yùn)量為最佳匹配。在滿足煤礦運(yùn)送需求的前提下，降低了帶式輸送機(jī)的電能浪費(fèi)，達(dá)到了節(jié)能降本的目的。從實(shí)踐應(yīng)用來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速節(jié)能控制系統(tǒng)節(jié)能效率可以達(dá)到12.2%，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。