關(guān)于DSJ80型煤礦帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究

馬成成

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 澤州 048002）

引言

由于帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、易于使用與維護(hù)等特點(diǎn)，且能適應(yīng)比較惡劣的工作環(huán)境，所以在煤炭開(kāi)采行業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為運(yùn)輸行業(yè)中不可或缺的重要裝備。為了提高帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸效率，常采用提高皮帶輸送速率的方法，但是目前國(guó)內(nèi)由于技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后，帶式輸送機(jī)的工作運(yùn)行速度一般在5~7 m/s左右，皮帶的速率成為制約輸送機(jī)效率的一個(gè)重要因素。

為了提高帶式輸送機(jī)的生產(chǎn)效率，嘗試提高皮帶的運(yùn)行速率，如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好地控制將有效提高皮帶運(yùn)行速率。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，使得帶式輸送機(jī)的速度精準(zhǔn)控制成為可能，變頻技術(shù)可有效提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)整，能夠在滿(mǎn)足一定轉(zhuǎn)矩的要求前提下，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的速度調(diào)控[1]。

1 輸送機(jī)變頻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

變頻技術(shù)的基本原理是利用改變電流各電極之間的切換頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速率的控制，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)其他設(shè)備的運(yùn)行。隨著電子、電力技術(shù)的不斷發(fā)展，以及PLC控制程序的發(fā)展，催生了較多實(shí)用且先進(jìn)的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。目前主流的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置一般可分為減速箱直接驅(qū)動(dòng)類(lèi)、液力耦合器變速箱驅(qū)動(dòng)的兩類(lèi)。

液力耦合器也分調(diào)速型和一般直驅(qū)型液力耦合器，直驅(qū)型液力耦合器一般僅適用于小型帶式輸送機(jī)，因其在運(yùn)行過(guò)程中沖擊比較大，很難使得帶式輸送機(jī)做到運(yùn)量更大、運(yùn)輸距離更長(zhǎng)等領(lǐng)域。但調(diào)速型液力耦合器，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)與軟停車(chē)，對(duì)設(shè)備起到了較好的保護(hù)作用，該及時(shí)一般被應(yīng)用于大型帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)中[2]。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需求分析

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是帶式輸送機(jī)動(dòng)力來(lái)源，其核心部件，帶式輸送機(jī)的性能包括運(yùn)量、運(yùn)輸能力、平穩(wěn)性等于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接相關(guān)。帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)性不光影響設(shè)備的運(yùn)量、平衡功率等，甚至可能導(dǎo)致輸送機(jī)故障頻發(fā)，容易產(chǎn)生皮帶打滑、斷帶等故障。為了研究得到一種比較適用于帶式輸送機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，研究并形成形式多樣的帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

性能優(yōu)越、理想的驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具有如下特點(diǎn)：?jiǎn)?dòng)時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)，也可在滿(mǎn)載工況下的啟動(dòng)；可對(duì)皮帶加速度進(jìn)行控制，盡量平緩、沖擊力??；啟動(dòng)時(shí)對(duì)外界用電設(shè)備的電能沖擊要小，避免對(duì)外部電源設(shè)備造成損害；可平穩(wěn)運(yùn)行且具有抗過(guò)載能力，具有過(guò)載保護(hù)；配置先進(jìn)的變頻控制器，變頻控制器具有較好的穩(wěn)定性與兼容能力[3]。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

DSJ80型帶式輸送機(jī)帶寬1600mm，帶長(zhǎng)2400m，皮帶最大運(yùn)行速率。本套系統(tǒng)采用的是調(diào)速型液力偶合器變速驅(qū)動(dòng)方式，調(diào)速系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)部件包括泵輪、渦輪以及渦輪軸、泵輪軸、電機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)、設(shè)備冷卻系統(tǒng)等。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理是在電機(jī)輸入端轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)其工作腔內(nèi)液體體積，達(dá)到改變?cè)O(shè)備輸出功率，控制精度較高，適用環(huán)境較廣，同時(shí)磨損和發(fā)熱量都較小，具有較長(zhǎng)的使用壽命。

近年來(lái)，隨著電控技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻控制系統(tǒng)在電能節(jié)約、環(huán)保、提高效益方面做出了突出貢獻(xiàn)。本套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用PLC與液力偶合器聯(lián)合控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下頁(yè)圖1所示，有PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的邏輯控制，使該控制系統(tǒng)性能更優(yōu)。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 變頻器結(jié)構(gòu)原理

變頻器一般可分為交流變頻與直流變頻兩類(lèi)，目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的還是直流變頻器，特別是一些高壓用電設(shè)備。直流變頻器工作范圍更廣，其基本工作原理是利用整理設(shè)備將公頻交流電整流為直流電，然后再利用電流逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)控的等效交流電。直流變頻可直接通過(guò)改變電源的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，如圖2所示為直流等效交流器結(jié)構(gòu)示意圖[4]。

圖2 直流變頻器結(jié)構(gòu)原理圖

4.2 變頻驅(qū)動(dòng)單元

帶式輸送機(jī)常帶載啟動(dòng)，尤其是在啟動(dòng)或停車(chē)過(guò)程中對(duì)變頻控制器要求較高，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求選擇了德國(guó)西門(mén)子的矢量變頻控制器XINMT BJ型變頻器，該變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，該變頻器驅(qū)動(dòng)單元主要由10 kV電網(wǎng)、斷路器、變壓器、變頻器等結(jié)構(gòu)組成。該型變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了三電平、智能控制、矢量控制等技術(shù)，與之匹配的三向異步電機(jī)額定功率為5.2 MVA，設(shè)備的額定電壓是3.6 kV。該變頻驅(qū)動(dòng)控制器具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)時(shí)間可設(shè)定等特點(diǎn)，對(duì)于保護(hù)設(shè)備，減小機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的沖擊具有重要作用[5]。

圖3 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 驅(qū)動(dòng)單元主要設(shè)備

對(duì)驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)中硬件設(shè)備選型做簡(jiǎn)要介紹，首先是三相異步電動(dòng)機(jī)，在4.2小節(jié)中介紹了該異步電機(jī)的選型；變頻器型號(hào)9CSE80AA1，其電源額定電壓為2×3-ph 1.2 kV AC，額定工作頻率為50/60 Hz，最大輸出頻率為100 Hz，電網(wǎng)功率因數(shù)cosφ>0.96。

整流器：變頻器型號(hào)為SIMOV-ST，其結(jié)構(gòu)框圖如4所示，將兩個(gè)不可控橋式二極管分別連接到三相繞組的低壓電網(wǎng)上，從而形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的12脈沖低壓電源。逆變器：由HS-IMJS二極管、續(xù)流二級(jí)管和中點(diǎn)二級(jí)管構(gòu)成，利用二極管單相流動(dòng)的特性，保障二極管上的電壓均勻分配[6]。

圖4 SIMOV-ST變頻器方框圖

5 變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了將帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與各硬件設(shè)備整合起來(lái)，需設(shè)計(jì)一套變頻控制系統(tǒng)，在此選擇了HE3-08型主控制器，SIMOV-ST變頻器中BM2模塊可通過(guò)總線控制方式將主控制器與變頻器相連接在一起，在總線設(shè)計(jì)中接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與控制計(jì)算機(jī)的連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控且可操作的變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)控制，需要的輔助系統(tǒng)包括高壓柜控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、保護(hù)控制等，下面對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要輔助控制系統(tǒng)做簡(jiǎn)要介紹。

1）高壓柜控制。為了確保變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安全，將高壓柜控制由變頻器完成，變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓柜的控制；同時(shí)為了保證高壓柜的穩(wěn)定性與可靠性，在變頻器內(nèi)的斷路器增加失壓保護(hù)機(jī)構(gòu)，可有效防止高壓柜中的電源與備用電源同時(shí)斷電對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重危害的情況。

2）變頻器控制。PLC可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線與各變頻器取得通信，形成變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，其連接框圖如下頁(yè)圖5所示。自動(dòng)化控制主站通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)掃描各變頻器上適配器，各設(shè)備通信接口與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總線相連，并將連接器終端電阻調(diào)到NO位置，構(gòu)建起對(duì)變頻器的控制系統(tǒng)。

圖5 變頻器控制框圖

3）保護(hù)控制。根據(jù)帶式輸送機(jī)的控制需求，在該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中加入對(duì)輸送機(jī)的保護(hù)控制功能，保護(hù)控制可借助設(shè)備上布置的傳感器，接入驅(qū)動(dòng)控制器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的監(jiān)測(cè)。一般保護(hù)控制具備皮帶跑偏、打滑、斷裂、溫度異常、皮帶撕裂等故障保護(hù)功能。

6 結(jié)語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)的直驅(qū)控制器，變頻驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)設(shè)備保護(hù)更好，具有節(jié)能、控制精度高等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，該控制系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)為帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供有力參考。