綜采工作面帶式輸送機節(jié)能調(diào)速策略的設(shè)計

蘆國宏

（西山煤電鎮(zhèn)城底礦綜采一隊， 太原 古交 030203）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤工藝及綜采設(shè)備自動化水平不斷提升，傳統(tǒng)的低速、小運量以及短距離的帶式輸送機已不能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，未來帶式輸送機將朝著大運量、長距離、高速度的方向發(fā)展[1]。在實際生產(chǎn)過程中，帶式輸送機的實際運量常在滿載、空載以及輕載等狀態(tài)下波動，而其運速與運量存在極度不匹配，造成了系統(tǒng)能量極大的損失。為了解決長距離、大運量、多電機帶式輸送機在實際運行過程中帶速與運量不匹配以及在啟動階段功率不平衡的問題，在設(shè)備控制系統(tǒng)中引入基于耦合補償和變頻調(diào)速的控制策略。

1 帶式輸送機概述

本文所研究帶式輸送機為頭尾雙驅(qū)型，該類型帶式輸送機包含有兩個電機，主要由輸送帶、驅(qū)動裝置、滾筒、托輥以及拉緊裝置等組成。帶式輸送機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶式輸送機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對帶式輸送機啟動階段和運行階段的變頻節(jié)能調(diào)速策略的設(shè)計，需掌握該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)及特性，旨在通過節(jié)能調(diào)速策略解決啟動階段的功率平衡問題和運行階段運速與運量相匹配的問題[2]。

一般情況下，綜采工作面的輸送機分為帶式輸送機和刮板輸送機。本文將以鎮(zhèn)城底礦使用的帶式輸送機為研究對象。輸送帶主要包括有外部覆蓋層、中間骨架、隔離層三部分。為確保其能適應(yīng)工作面的生產(chǎn)需求，輸送帶須具備良好的靜特性、動特性以及黏彈性。其中，動特性作為其在工作中所體現(xiàn)的性能需滿足滯后特性、蠕變特性、松弛特性以及頻率特性。目前，在眾多的黏彈性模型中以Voigt模型最為能夠體現(xiàn)輸送帶實際的黏彈性。因此，本文在建模中采用Voigt模型進行仿真建模。

2 帶式輸送機啟動階段節(jié)能策略的設(shè)計

對于雙電機帶式輸送機而言，在眾多因素共同影響的作用下各個電機不可避免地出現(xiàn)了功率不平衡的問題。啟動階段帶式輸送機功率不平衡問題不僅會造成電機的燒毀和驅(qū)動裝置的磨損，還會造成能量的損失。

造成雙電機帶式輸送機啟動階段出現(xiàn)各電機功率不平衡問題的因素包括有靜態(tài)因素和動態(tài)因素。其中，靜態(tài)因素為帶式輸送機的相關(guān)設(shè)計參數(shù)等；動態(tài)因素包括有其在運行過程中所承受的阻力及其電機的輸出轉(zhuǎn)矩，阻力與設(shè)備的運量相關(guān)，而電機的輸出轉(zhuǎn)矩與所選電機的型號相關(guān)[3]。

鑒于相關(guān)設(shè)計參數(shù)在其設(shè)計初期已經(jīng)完全確定。因此，對于雙電機在運行過程中功率不平衡問題僅能通過改變調(diào)節(jié)供電頻率解決，即采用變頻調(diào)速策略。

帶式輸送機啟動階段功率不平衡問題是通過采用耦合補償?shù)乃悸方鉀Q。耦合補償系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備中兩個電機的參數(shù)進行實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個電機的運行狀態(tài)存在一定的差異性時，系統(tǒng)會給予一定的補償。通過上述策略對帶式輸送機控制器進行雙向補償，為實現(xiàn)電機的同步奠定基礎(chǔ)?？刂撇呗越Y(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

基于上述控制策略，控制系統(tǒng)需實時掌握兩電機轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)值，進而判斷電機的狀態(tài)。當(dāng)一臺電機為發(fā)電狀態(tài)，另一臺為電動狀態(tài)時，需對比兩臺電機的負載率。其中，當(dāng)發(fā)電狀態(tài)電機的功率大于電動狀態(tài)電機的功率時，即為帶式輸送機帶動電機轉(zhuǎn)動，此時系統(tǒng)需制動力，通過減小電動狀態(tài)電機的頻率后才可進行功率平衡控制。反之，帶式輸送機需牽引力，需增加電動狀態(tài)電機的頻率后才可進行功率平衡控制。

圖2 帶式輸送機電機功率平衡策略

3 帶式輸送機運行階段節(jié)能策略的設(shè)計

針對帶式輸送機在實際運行過程中存在帶速與運量不匹配所造成能量浪費的問題，在實際生產(chǎn)中可采用減電機運行、異步電機Y-Δ接法變化、降電壓以及變頻調(diào)速解決。其中，減電機運行不適用于大運量、長距離帶式輸送機的運行；異步電機Y-Δ接法變化盡管應(yīng)用相對成熟，但是其節(jié)能效果有限；降電壓技術(shù)相對復(fù)雜[4]。

綜上所述，可采用變頻調(diào)速的策略實現(xiàn)帶式輸送機運行階段帶速與運量相匹配，進而達到節(jié)能的效果[5]。目前，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用相對頻繁且應(yīng)用范圍相對廣泛，其主要功能是實現(xiàn)對交流異步電機的軟啟動、變頻調(diào)速、過載保護、過流保護等。變頻調(diào)速原理如式（1）所示：

式中：n為輸送機電機的轉(zhuǎn)速，f為輸送機電機的頻率，s為輸送機電機的轉(zhuǎn)差率，p為輸送機電機的極數(shù)。由式（1）可知，通過調(diào)整電機的頻率實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)了對輸送機帶速的調(diào)節(jié)。

經(jīng)研究可知，帶式輸送機運量和帶速是影響輸送機功率的主要因素。在實際生產(chǎn)中帶式輸送機帶速并不能夠根據(jù)其實時運量進行調(diào)節(jié)以達到最節(jié)能的效果。為此，設(shè)計如式（2）所示的節(jié)能策略。

在實際情況中帶式輸送機不可能頻繁啟停，因此設(shè)定當(dāng)其運量為0時，帶式輸送機以最小的速度運行?？傻萌鐖D3所示的運量與運速之間的關(guān)系曲線。

圖3 帶式輸送機運量與運速的關(guān)系曲線

綜上所述，基于上述運速與運量相匹配的思想實現(xiàn)對帶式輸送機的節(jié)能改造，不僅能夠提升帶式輸送機輸送效率，還能夠降低帶式輸送機的能耗。

4 結(jié)語

基于耦合補償策略可實時監(jiān)測各電機的運行狀況并對電機的運行功率進行調(diào)整；基于變頻調(diào)速策略系統(tǒng)可根據(jù)輸送帶的實時運量對其帶速進行及時調(diào)整，確保帶速與運量的相匹配，避免能量的浪費。