變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

黨 霞

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

膠帶輸送機(jī)是煤礦的重要機(jī)械設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將井下開采的煤炭運(yùn)輸?shù)降孛?。為了保證生產(chǎn)效率，膠帶輸送機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，其運(yùn)行效率和能源消耗會(huì)直接影響到煤礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國煤礦開采難度的增加，膠帶輸送機(jī)的運(yùn)輸距離以及承載的負(fù)荷不斷增加，由此對膠帶輸送機(jī)的性能有了更高的要求。在煤礦進(jìn)行煤炭開采運(yùn)輸時(shí)，不同的時(shí)間段輸煤量會(huì)存在一定的差異性。而目前所使用的膠帶輸送機(jī)采用的是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣就會(huì)出現(xiàn)低載高速或者空載高速的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致膠帶輸送機(jī)工作效率低下，電能消耗大的現(xiàn)象。節(jié)能降耗是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，所以應(yīng)該對煤礦膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行改進(jìn)。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于膠帶輸送機(jī)中，通過對電源頻率的改變，來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)在各個(gè)階段的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而改善膠帶輸送機(jī)空載高速或者低載高速的運(yùn)行狀態(tài)，有效控制電能消耗，提高輸送機(jī)運(yùn)行效率。

1 煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

在煤礦井下作業(yè)中，隨著距離的延長，對膠帶輸送機(jī)的承載性能有了更高的要求，在長距離運(yùn)輸?shù)倪^程中，需要輸送機(jī)具有較強(qiáng)的動(dòng)力支持，所以一般都會(huì)配置較大功率的電機(jī)，以確保在重載啟動(dòng)和高負(fù)荷運(yùn)輸時(shí)能夠帶動(dòng)皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)。膠帶輸送機(jī)在啟動(dòng)的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，一般會(huì)達(dá)到額定電流的5～7倍，不僅會(huì)造成電能的浪費(fèi)，同時(shí)還可能存在燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。而在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)力矩，無疑會(huì)加劇活動(dòng)部件的磨損和老化，縮短設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的作業(yè)精度。比如對膠帶的張力增加，就可能出現(xiàn)膠帶打滑或者斷帶的現(xiàn)象，不僅影響到輸送機(jī)運(yùn)行效率，還縮短了膠帶的使用壽命。如果是在負(fù)載狀態(tài)下啟動(dòng)電機(jī)，對機(jī)械設(shè)備造成的損傷會(huì)更大。在部分煤礦中，為了解決膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)需求功率大的問題，使用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，但是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)難免出現(xiàn)功率不平衡的現(xiàn)象，還是無法從根本上解決問題。

因?yàn)檩斔蜋C(jī)的頻繁啟動(dòng)會(huì)造成能源浪費(fèi)，并且對電機(jī)和輸送機(jī)都存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，所以輸送機(jī)會(huì)一直保持運(yùn)行狀態(tài)。但是受到井下作業(yè)的限制，無法保證輸送機(jī)始終處于均勻負(fù)荷狀態(tài)，所以就會(huì)出現(xiàn)輸送機(jī)有時(shí)超荷載，而有時(shí)又空載，由此會(huì)導(dǎo)致膠帶始終處于不均勻拉伸狀態(tài)，并且在空載狀態(tài)下也會(huì)維持同等轉(zhuǎn)速，造成能源的浪費(fèi)。在這種背景下，急需對膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，提高運(yùn)行效能，降低能源浪費(fèi)。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于膠帶輸送機(jī)的意義

針對煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行中存在的問題，可以使用變頻調(diào)速技術(shù)來解決。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系，通過改變電源的頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)在各個(gè)階段的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。這一原理非常適用于煤礦膠帶輸送機(jī)中，可根據(jù)膠帶輸送機(jī)的荷載狀態(tài)調(diào)整運(yùn)行速度，避免出現(xiàn)空載高速或者低載高速的現(xiàn)象，既能夠延長膠帶輸送機(jī)的使用壽命，又能夠提高運(yùn)行效率。變頻調(diào)速技術(shù)還可應(yīng)用于膠帶輸送機(jī)的啟動(dòng)中，無論是重載啟動(dòng)還是軟啟動(dòng)，都能夠進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)整，既能夠減少因?yàn)槠_擊造成的機(jī)械損傷，又能夠降低電能損耗，實(shí)現(xiàn)煤礦輸送機(jī)的綠色調(diào)控，達(dá)到節(jié)能降耗的生產(chǎn)目的。在輸送機(jī)運(yùn)行的過程中，可以根據(jù)輸送機(jī)的荷載狀態(tài)調(diào)整運(yùn)行速度，在輸送機(jī)處于空載或者低載狀態(tài)時(shí)，降低膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度，可減少機(jī)械磨損與托輥磨損。由于膠帶輸送機(jī)中設(shè)有張緊皮帶系統(tǒng)，利用變頻調(diào)速技術(shù)，還能夠減緩對皮帶造成的磨損，延長皮帶的使用壽命。在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下，變頻調(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的平衡，對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)的節(jié)能優(yōu)化控制。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速設(shè)計(jì)思路

將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于煤礦膠帶輸送機(jī)中，主要目的就是實(shí)現(xiàn)對膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度的實(shí)時(shí)控制。這一目的的實(shí)現(xiàn)需要通過信號檢測、數(shù)據(jù)處理分析、電機(jī)速度控制等各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的控制，才能夠達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。在膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)中，通常是由多級膠帶機(jī)組成，所以在變頻調(diào)速節(jié)能設(shè)計(jì)中，可以將DSP設(shè)置為控制中心，對電機(jī)電流信號進(jìn)行采集，再結(jié)合負(fù)載及轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)，最終控制電機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際需求處于最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

3.2 DSP控制器設(shè)計(jì)

因?yàn)樽冾l調(diào)速技術(shù)是要對膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以對系統(tǒng)的運(yùn)算速度有較高的要求，在獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息后，要及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)速以及需求調(diào)整的轉(zhuǎn)速，然后向變頻器發(fā)送指令。傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC無法滿足實(shí)時(shí)控制的需求，而DSP控制器可滿足此項(xiàng)需求。在選擇DSP控制器的型號時(shí)，要重點(diǎn)考慮主頻、芯片、CPU等方面的性能參數(shù)，確保DSP有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)控制性能。DSP控制器將會(huì)接收到傳感器收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過處理分析得出電機(jī)運(yùn)行的最優(yōu)速度，再將控制指令發(fā)送給變頻器，以此來對電機(jī)的工作電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度的控制。

3.3 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器在接收到DSP控制器的指令后，就需要按照指令要求對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓進(jìn)行控制。一般情況下，變頻器需要安裝在膠帶輸送機(jī)的電機(jī)位置，運(yùn)行環(huán)境相對較為惡劣，所以對變頻器的型號選擇有一定的要求，一般會(huì)選擇礦用防爆安全型交流變頻器，確保其在惡劣的環(huán)境下能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。在變頻系統(tǒng)的內(nèi)部，變頻器會(huì)設(shè)計(jì)為交流-直流-交流的調(diào)速模式，整流裝置可將交流的工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫矗瑸殡姍C(jī)提供所需電能。在膠帶輸送機(jī)運(yùn)行過程中，可以根據(jù)工業(yè)電價(jià)和煤倉儲(chǔ)量來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在電價(jià)較高的情況下，DSP控制器經(jīng)過最優(yōu)速度計(jì)算向變頻器發(fā)出調(diào)節(jié)信號，降低輸送機(jī)的運(yùn)行速度，減少煤炭的輸送量，在電價(jià)較低時(shí)，則反之。

3.4 膠帶秤和煤倉料位計(jì)

膠帶輸送機(jī)在運(yùn)行過程中，需要對運(yùn)載載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止超過載荷而加重輸送機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，也可控制因?yàn)檩d荷過小而影響輸送效率。因?yàn)槟z帶秤的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，所以對其可靠性有較高要求，一般會(huì)選擇防爆型荷載稱。煤倉料位計(jì)主要是對煤倉的儲(chǔ)煤量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)煤倉儲(chǔ)煤量接近上限值時(shí)，可減少輸送機(jī)的輸送量，或者降低轉(zhuǎn)速，防止煤炭溢倉。如果煤倉儲(chǔ)煤量較小，可適當(dāng)增加輸送量，以確保煤炭輸送的連續(xù)性。

3.5 轉(zhuǎn)速傳感器和人機(jī)對話裝置

變頻調(diào)速技術(shù)在煤炭膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用，基礎(chǔ)條件是對膠帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，只有獲得輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，才能夠根據(jù)實(shí)際所需對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速傳感器是監(jiān)測輸送機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，可選擇磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器，利用法拉第電磁感應(yīng)原理，在輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)靠輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳感器鐵芯，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換即可獲得輸送機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。人機(jī)對話裝置既能夠顯示膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，又能夠?qū)斔蜋C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的窗口，可根據(jù)實(shí)際需求選擇適宜的型號。

3.6 軟件程序設(shè)計(jì)

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的程序主要包括變頻調(diào)速程序，緊急情況處理程序，軟啟動(dòng)控制程序，功率平衡控制程序，每個(gè)程序都負(fù)責(zé)對應(yīng)的功能，確保膠帶輸送機(jī)能夠安全穩(wěn)定地完成變頻調(diào)速節(jié)能優(yōu)化。主程序的運(yùn)行流程為，通過膠帶秤對輸送機(jī)的荷載狀態(tài)進(jìn)行檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳輸至DSP控制中心，控制中心經(jīng)過數(shù)據(jù)信息處理分析，計(jì)算出輸送機(jī)的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)速度，然后將控制指令發(fā)送給變頻器，進(jìn)而對電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而完成膠帶輸送機(jī)的節(jié)能控制。

4 結(jié)語

因?yàn)槟z帶輸送機(jī)是煤礦重要的輸送設(shè)備，為了保證煤炭能夠及時(shí)輸送，輸送機(jī)需要長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)。處于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的輸送機(jī)，長時(shí)間處于運(yùn)行狀態(tài)，不僅會(huì)加劇皮帶和各零件的磨損，降低設(shè)備的使用壽命，同時(shí)還會(huì)造成能源消耗過大，增加煤礦的運(yùn)行成本。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于煤礦膠帶輸送機(jī)中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，提高生產(chǎn)效率。變頻調(diào)速技術(shù)還能夠消除常規(guī)啟停方式下產(chǎn)生的機(jī)械沖擊和大啟動(dòng)電流等情況，降低輸送機(jī)發(fā)生故障的幾率，降低故障維修成本，確保煤礦生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用，既符合我國煤炭綠色采掘的要求，又提高了煤礦的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)還會(huì)不斷優(yōu)化，為進(jìn)一步促進(jìn)煤礦生產(chǎn)作業(yè)水平的提升創(chuàng)造良好條件。