帶式輸送機(jī)啟停及功率平衡控制

段 鑫

（西山煤電集團(tuán)公司設(shè)備租賃分公司， 山西 太原 030000）

引言

近年來(lái)，隨著煤礦企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)能力的不斷提升，帶式輸送機(jī)也逐漸朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離以及高運(yùn)速的方向發(fā)展。在此大背景下，對(duì)帶式輸送機(jī)輸送帶的長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)功率以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和節(jié)能性提出了更高的要求。當(dāng)前，帶式輸送機(jī)以多電機(jī)多點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式為主，在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)啟停階段負(fù)荷突變、輸送帶張力發(fā)生突變以及電機(jī)功率不平衡等問(wèn)題[1]。為此，解決帶式輸送機(jī)啟停階段的沖擊和功率不平衡問(wèn)題是確保其穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)對(duì)帶式輸送機(jī)的啟停以及功率平衡控制開(kāi)展研究。具體闡述如下：

1 帶式輸送機(jī)概述

本文所研究帶式輸送機(jī)應(yīng)用礦井的生產(chǎn)能力為4 Mt/年，該礦井采用斜井的方式進(jìn)行開(kāi)拓。其中，主斜井的主要運(yùn)輸設(shè)備為帶式輸送機(jī)，副斜井的主要運(yùn)輸設(shè)備為無(wú)軌膠輪車。所配置帶式輸送機(jī)的具體形式為單點(diǎn)雙滾筒三電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)，功率分配比例為2∶1。結(jié)合該礦井的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)輸需求，帶式輸送機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：運(yùn)輸工作面的傾角最大為20°，帶式輸送機(jī)的最大運(yùn)輸速度為4.5 m/s，輸送帶的寬度為1 800 mm，輸送帶類型為阻燃型鋼絲繩芯。所配置三臺(tái)異步電機(jī)的額定功率為1 600 kW，可適應(yīng)其在復(fù)雜工況下的重載啟動(dòng)需求。所配置制動(dòng)裝置盤式制動(dòng)器，具體型號(hào)為SHI252，其最大制動(dòng)力矩為1 000 000 N·m，實(shí)際工況所需的最大制動(dòng)力矩為942 860 N·m；所配置逆止器的具體型號(hào)為DSN1000，最大逆止力矩為1 000 000 N·m，實(shí)際所需的最大逆止力矩為471 430 N·m。

對(duì)于帶式輸送機(jī)而言，其可選擇的驅(qū)動(dòng)裝置的類型包括有Y 電機(jī)+液力耦合器+減速器、Y 型電機(jī)+CST驅(qū)動(dòng)裝置、變頻調(diào)速電機(jī)+減速器三種方式。綜合考慮上述三種驅(qū)動(dòng)方式的節(jié)能性、調(diào)速性能以及控制穩(wěn)定性，選用變頻調(diào)速電機(jī)+減速器的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)設(shè)備的啟停以及調(diào)速進(jìn)行控制[2]。

本文將在上述對(duì)帶式輸送機(jī)基本情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)帶式輸送機(jī)啟停和功率平衡控制技術(shù)進(jìn)行研究，并進(jìn)一步研究帶式輸送機(jī)對(duì)應(yīng)的變頻系統(tǒng)和配電控制系統(tǒng)。

2 帶式輸送機(jī)電氣及變頻系統(tǒng)研究

帶式輸送機(jī)穩(wěn)定啟停及功率平衡功能的實(shí)現(xiàn)，必須保證在合理電氣及變頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)帶式輸送機(jī)電氣及變頻系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

配電系統(tǒng)作為帶式輸送機(jī)的動(dòng)力源，該帶式輸送機(jī)配置4 臺(tái)電動(dòng)機(jī)（三用一備）。帶式輸送機(jī)配電系統(tǒng)主要包括有4 臺(tái)電機(jī)變頻器柜和低壓配電系統(tǒng)。其中，每臺(tái)變頻器柜中均配置了一套交-直-交的變頻裝置，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速控制；低壓配電系統(tǒng)主要包括有2 臺(tái)變壓器柜和11 臺(tái)低壓開(kāi)關(guān)柜，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)輔機(jī)、加熱室以及照明等供電。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的供配電需求，所配置變壓器的具體型號(hào)為SG11-315/10/0.4 kV，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)柜的具體型號(hào)為KYN28-12 型高壓真空開(kāi)關(guān)柜。

同時(shí)，為滿足帶式輸送機(jī)基本功能要求，在基礎(chǔ)配電系統(tǒng)的支撐下還需保證集中監(jiān)控和保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)帶式輸送機(jī)監(jiān)控和保護(hù)功能的需求，實(shí)際應(yīng)用中以PLC 控制器為核心對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。鑒于工作面相對(duì)惡劣的工作環(huán)境，本項(xiàng)目以KHP215 保護(hù)裝置為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中監(jiān)控和保護(hù)，并為其配置了KXJ-1.5/660B 的控制箱，該控制箱包括所屬的本安電源、PLC 控制器和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等[3]?？刂葡渌渲玫腜LC 控制器為S7-300 系列，CPU 模塊為314-2DP。

要求帶式輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)報(bào)警，并對(duì)存在超限的情況進(jìn)行及時(shí)保護(hù)，對(duì)應(yīng)的電氣控制保護(hù)系統(tǒng)控制流程如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 帶式輸送機(jī)電氣控制保護(hù)系統(tǒng)程序流程圖

變頻器是實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速的核心裝置，結(jié)合帶式輸送機(jī)的控制需求，配置額定電流為106.2 A，容量為1 563.5 kVA 的變頻器。經(jīng)選型，配置變頻器的型號(hào)為ACS800-07，該變頻器的額定電流為160 A，可承受的最大負(fù)載值為2 800 kW。對(duì)應(yīng)的，配置型號(hào)為RS3 型熔斷器實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的短路保護(hù)。

3 帶式輸送機(jī)啟停及功率平衡控制

在上述帶式輸送機(jī)電氣控制及變頻控制基本功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提升帶式輸送機(jī)啟動(dòng)和停止的穩(wěn)定性，降低功率不平衡因素，本節(jié)重點(diǎn)開(kāi)展帶式輸送機(jī)啟停及功率平衡控制的研究。

對(duì)于帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)控制，本項(xiàng)目采用S 型加速度曲線進(jìn)行控制；同時(shí)，基于變頻調(diào)速控制的理念可保證根據(jù)負(fù)載的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，誤差可保證在1%之間，從而解決了在重載等負(fù)載工況下帶式輸送機(jī)啟動(dòng)造成沖擊和打滑的問(wèn)題。

對(duì)于帶式輸送機(jī)的停機(jī)控制，分為設(shè)備的正常停機(jī)和緊急停車，具體內(nèi)容如下：

1）帶式輸送機(jī)正常停機(jī)流程：待設(shè)備將所運(yùn)輸貨物完全卸載后變頻器控制電機(jī)頻率根據(jù)預(yù)設(shè)的減速曲線從50 Hz 逐步降為零。

2）帶式輸送機(jī)緊急停機(jī)流程：當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到打滑、電機(jī)超溫、縱向撕裂以及跑偏等故障時(shí)，PLC 控制器立即發(fā)出停車指令通過(guò)變頻器將電機(jī)頻率降為零，實(shí)現(xiàn)停機(jī)操作[4]。

對(duì)于帶式輸送機(jī)的功率平衡控制，基于PID 算法對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比，將分析所得的結(jié)果傳遞給逆變器，通過(guò)逆變器對(duì)各個(gè)電機(jī)的頻率進(jìn)行控制，保證各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速處于同步狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)功率平衡的控制。通過(guò)試驗(yàn)表明，當(dāng)帶式輸送機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中存在功率不平衡的情況時(shí)，基于PID 算法能夠在0.04 s 的時(shí)間內(nèi)對(duì)各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整控制，最終保證各個(gè)電機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)定的功率比值運(yùn)行[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

帶式輸送機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，設(shè)備啟動(dòng)、停止的穩(wěn)定性和功率平衡因素直接決定運(yùn)輸效率和能耗情況。本文重點(diǎn)對(duì)帶式輸送機(jī)啟停和功率平衡的控制策略進(jìn)行研究，具體總結(jié)如下：

1）采用變頻器為核心的電氣系統(tǒng)能夠滿足帶式輸送機(jī)的基本控制功能，并且能夠保證帶式輸送機(jī)在復(fù)雜工況下穩(wěn)定啟動(dòng)，不會(huì)對(duì)設(shè)備及電網(wǎng)造成沖擊；同時(shí)，對(duì)于正常和緊急停機(jī)的控制需求均能夠按照預(yù)定曲線實(shí)現(xiàn)其功能。

2）基于PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的功率平衡控制，經(jīng)實(shí)踐表明：當(dāng)系統(tǒng)功率不平衡因數(shù)超限時(shí)，系統(tǒng)能夠在0.04 s 極短的時(shí)間內(nèi)完成調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)按照預(yù)定比例運(yùn)行。