同步變頻驅(qū)動控制技術(shù)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用

陳健健

（沁和能源集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

帶式輸送機(jī)是煤礦井下開采過程中經(jīng)常使用的重要裝備之一，其驅(qū)動方式有多種類型，目前，在我國大部分地區(qū)煤礦通常配備的帶式輸送機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)為CST 可控驅(qū)動系統(tǒng)。雖然該驅(qū)動控制技術(shù)能夠較好地保障井下帶式輸送機(jī)的平穩(wěn)高效啟動和運(yùn)行，但在實(shí)際應(yīng)用過程中依然存在耗能大、故障率高、成本高、不能實(shí)現(xiàn)高低速變換運(yùn)行等問題[1-2]。而變頻傳輸控制系統(tǒng)能夠很好地解決CST 可控驅(qū)動系統(tǒng)存在的不足，并且可以有效提升帶式輸送機(jī)的安全運(yùn)行性能。

1 帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)特點(diǎn)分析

1.1 傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

隨著煤礦開采技術(shù)的不斷提升，煤礦開采能力不斷增強(qiáng)，帶式輸送機(jī)逐漸向長距離、大運(yùn)量、大功率方向發(fā)展，其配套的運(yùn)行驅(qū)動方式也逐漸升級換代[3]。目前，煤礦帶式輸送機(jī)通常使用的CST 可控驅(qū)動系統(tǒng)存在有許多不足之處，具體表現(xiàn)為：

（1）大功率帶式輸送機(jī)運(yùn)行速度很高，長時間高速運(yùn)行容易造成帶式輸送機(jī)磨損嚴(yán)重，在使用過程中需經(jīng)常更換膠帶。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因工作面出煤量存在不均衡性，造成帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸量經(jīng)常出現(xiàn)變化，若其在運(yùn)行過程中一直處于高速運(yùn)行狀態(tài)，容易造成電能浪費(fèi)。

1.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)特點(diǎn)

如圖1 所示為變頻驅(qū)動系統(tǒng)傳輸示意圖，具備的特點(diǎn)主要有以下幾個方面[4-5]：

（1）啟動平緩，減小帶式輸送機(jī)啟動時沖擊對膠帶的傷害。變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠優(yōu)化帶式輸送機(jī)的啟動過程，驅(qū)動電機(jī)在變頻驅(qū)動系統(tǒng)中的變頻器控制作用下，可以使其從零速開始緩慢啟動，并帶動帶式輸送機(jī)緩慢啟動運(yùn)行，使帶式輸送機(jī)真正實(shí)現(xiàn)軟啟動運(yùn)行。

（2）實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)動平衡控制。帶式輸送機(jī)利用變頻器驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動運(yùn)行時，可以通過總線通訊方式將多個變頻器聯(lián)接起來，設(shè)置一個主機(jī)，實(shí)現(xiàn)多個變頻器的主從聯(lián)動，使多臺電機(jī)同時運(yùn)行時功率能夠達(dá)到平衡狀態(tài)。

（3）可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)時精準(zhǔn)調(diào)控。采用多臺變頻器驅(qū)動系統(tǒng)時，利用主機(jī)變頻器對從機(jī)變頻器的自動開停、速度及制動等進(jìn)行實(shí)時操作控制，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)帶式輸送機(jī)輸送的煤量大小情況實(shí)時調(diào)整電機(jī)輸出功率和力矩大小，保證帶式輸送機(jī)能夠恒速運(yùn)行。

（4）具備自檢模式。變頻器具備檢驗(yàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀況的功能，提前設(shè)置好檢驗(yàn)?zāi)z帶的頻率，將膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度調(diào)整為低速狀態(tài)，對帶式輸送機(jī)的損耗情況進(jìn)行完整檢驗(yàn)。

（5）具有節(jié)能降耗作用。

① 能夠根據(jù)帶式輸送機(jī)載荷量的大小進(jìn)行實(shí)時調(diào)控運(yùn)轉(zhuǎn)功率，降低機(jī)械元件的磨損，減少用電量。

② 能夠?qū)⒄麄€運(yùn)輸過程中的膠帶機(jī)功率因數(shù)提高到0.95 以上。

③ 可以將電機(jī)與減速器直接進(jìn)行聯(lián)接，傳遞效率提高5%～10%。

圖1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)傳輸示意圖

2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 礦井實(shí)際應(yīng)用情況

南凹寺煤業(yè)30405 綜采工作面運(yùn)輸巷走向長2100 m，安裝一部帶式輸送機(jī)。該部膠帶為新購設(shè)備，其驅(qū)動源采用的是在膠帶機(jī)頭和中間部位各安裝3 臺500 kW 電動機(jī)+6×BPJ-500/1140 型變頻器。機(jī)頭部位電機(jī)和變頻器與中間部位安裝的電機(jī)變頻器距離約為1000 m，中間采用光纖進(jìn)行連接，形成傳輸網(wǎng)絡(luò)。該套帶式輸送機(jī)的驅(qū)動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和運(yùn)行保障系統(tǒng)主要是由變頻器、電動機(jī)、減速器油泵、轉(zhuǎn)換開關(guān)、張緊部件、通風(fēng)機(jī)、操作臺和帶式輸送機(jī)各部位安全構(gòu)件等組成，其中，變頻器是整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)中樞。安裝在該部帶式輸送機(jī)上的6 臺變頻器通過光纖連接組建成總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將前端的1 號機(jī)設(shè)置為主機(jī)，后端其余的5 臺機(jī)作為從機(jī)，使用操作臺操控1 號主機(jī)，其他從機(jī)跟隨主機(jī)進(jìn)行同步運(yùn)行，形成了運(yùn)輸傳動系統(tǒng)的動態(tài)功率平衡，從而實(shí)現(xiàn)對帶式輸送機(jī)的運(yùn)行速率調(diào)控、啟停機(jī)等操作配置。帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動調(diào)節(jié)控制操作平臺及配置示意圖如圖2。

2019 年8 月該套變頻驅(qū)動系統(tǒng)開始在30405 綜采工作面運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)上安裝使用，通過一年多的平穩(wěn)運(yùn)行，使用效果良好。

（1）帶式輸送機(jī)在開停及運(yùn)行過程中，變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備的各類故障報(bào)警、輸出和錄入狀態(tài)、調(diào)控方式及設(shè)備連接、運(yùn)行狀況及相關(guān)參數(shù)在操作平臺上實(shí)時進(jìn)行顯示，便于操作人員的操作控制。

（2）變頻器設(shè)置多重保護(hù)手段，只有所有保護(hù)全部檢測完成并確認(rèn)安全后才會控制帶式輸送機(jī)啟動運(yùn)行，否則無法啟動。

（3）變頻驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)捷斔蜋C(jī)電機(jī)的水溫、膠帶故障原因及設(shè)備的連接、運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，從而對帶式輸送機(jī)啟停及運(yùn)行起到保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）若帶式輸送機(jī)重負(fù)荷運(yùn)行過程中因故障停機(jī)時，可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的重負(fù)荷平穩(wěn)啟動，不需要安排人員將膠帶上的煤清理掉再啟動，減輕了人員勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

圖2 帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動調(diào)節(jié)控制操作平臺及配置示意圖

2.2 應(yīng)用效果分析

與傳統(tǒng)的“異步電機(jī)+CST 驅(qū)動裝置”驅(qū)動系統(tǒng)相比，采用永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)耗能更低，在相同工況下，其消耗的電能比傳統(tǒng)方式的驅(qū)動系統(tǒng)低21.7%。兩種驅(qū)動方式能耗對比見表1。

表1 兩種驅(qū)動方式能耗對比情況表

（1）CST 驅(qū)動系統(tǒng)的傳動效率是0.825，傳動消耗的功率為500×3×（1-0.825）=236 kW。同時在CST 驅(qū)動系統(tǒng)中油冷部件在運(yùn)行過程中消耗的功率為104 kW，按照CST 驅(qū)動系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行計(jì)算，其總消耗功率為340 kW。

（2）永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)傳動功率是0.965，傳動消耗功率為500×3×（1-0.965）=47 kW。該系統(tǒng)沒有油冷部件，不消耗功率，按照驅(qū)動系統(tǒng)滿負(fù)荷計(jì)算，其總消耗功率為47 kW。

變頻驅(qū)動系統(tǒng)與CST 驅(qū)動系統(tǒng)相比，其消耗的能量減少21.7%。

3 結(jié)論

（1）30405 綜采工作面膠帶運(yùn)輸機(jī)使用永磁同步變頻驅(qū)動系統(tǒng)以后，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，效果較好。該系統(tǒng)具有操作維護(hù)簡單、性能穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便、啟動平緩、能耗低、變速效果好、故障率低等特點(diǎn)，能夠保障帶式輸送機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（2）該驅(qū)動系統(tǒng)電動機(jī)與膠帶機(jī)滾筒直接連接，減小帶式輸送機(jī)機(jī)頭的體積，且整體結(jié)構(gòu)簡單，占用空間較小，減少了井下巷道工程的投入。

（3）該系統(tǒng)傳動效率較高，優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)裝置的共振情況，降低噪聲，改善井下作業(yè)環(huán)境。運(yùn)行工作時節(jié)能降耗效果明顯，且能夠?qū)\(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，降低了設(shè)備故障率。