刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

尚 學(xué)

（華陽(yáng)集團(tuán)七元公司，山西 壽陽(yáng)045400）

引言

煤炭作為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要能源之一，近年來(lái)的需求量越來(lái)越大，煤炭生產(chǎn)作業(yè)日益繁重[1]。刮板輸送機(jī)是煤炭掘進(jìn)工作不可或缺的輸送設(shè)備，只要煤炭掘進(jìn)工作進(jìn)行，刮板輸送機(jī)就要工作，啟動(dòng)較為頻繁，同時(shí)在日常維護(hù)和故障排查時(shí)，經(jīng)常還存在負(fù)載啟動(dòng)的情況[2-3]。電機(jī)是刮板輸送機(jī)啟動(dòng)動(dòng)力的來(lái)源，頻繁啟動(dòng)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，不僅不利于電機(jī)壽命的延長(zhǎng)，還會(huì)極大增加電機(jī)的能源消耗，增加煤炭的成本，影響煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[4]。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已在較多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，并取得很好的應(yīng)用效果，對(duì)于刮板輸送機(jī)具有很好的借鑒意義[5-6]。針對(duì)某煤炭企業(yè)刮板輸送機(jī)恒速運(yùn)行模式的現(xiàn)狀，開(kāi)展啟動(dòng)過(guò)程變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 刮板輸送機(jī)概況

企業(yè)正在使用的刮板輸送機(jī)正式投產(chǎn)于2015年5月，設(shè)備配置如下：機(jī)頭位置設(shè)置2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，額定功率均為1 000 kW，機(jī)尾位置設(shè)置1臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其額定功率同樣為1 000 kW。機(jī)頭和機(jī)尾位置的3臺(tái)電機(jī)的額定電壓數(shù)值為3 300 V±12%，綜合輸送能力為3 500 t/h以上，鋪設(shè)的總長(zhǎng)度接近320 m。到目前為止已經(jīng)運(yùn)行了6年多，并且隨著設(shè)備使用年限的增長(zhǎng)，能耗逐年增加，現(xiàn)已引起了企業(yè)的關(guān)注，變頻控制技術(shù)的出現(xiàn)為企業(yè)節(jié)能降耗工作提供了新的方法，因此，企業(yè)同樣基于刮板輸送機(jī)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)，開(kāi)發(fā)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。刮板輸送機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)，如圖1所示。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于刮板輸送機(jī)當(dāng)前的控制系統(tǒng)，引入變頻調(diào)速技術(shù)，設(shè)計(jì)完成了刮板輸送啟動(dòng)過(guò)程變頻控制系統(tǒng)方案，如圖2所示。該系統(tǒng)在刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中能夠降低機(jī)頭和機(jī)尾位置電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)瞬時(shí)電流，使機(jī)頭和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功率平衡。

圖1 刮板輸送機(jī)使用現(xiàn)場(chǎng)

圖2 刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方案

具體工作原理如下：刮板輸送機(jī)中的電機(jī)1、電機(jī)2和電機(jī)3的額定參數(shù)一致，機(jī)頭位置的電動(dòng)機(jī)1和電動(dòng)機(jī)2分別配置變頻器1和變頻器2，可編程邏輯控制器PLC實(shí)時(shí)采集獲取機(jī)頭和機(jī)尾位置的電動(dòng)機(jī)電流數(shù)值，進(jìn)一步分析處理獲取電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，之后發(fā)出電動(dòng)機(jī)調(diào)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾位置電動(dòng)機(jī)的調(diào)速啟動(dòng)控制。

3 具體設(shè)計(jì)過(guò)程

3.1 功率平衡原理

3.1.1 功率平衡狀態(tài)

工作過(guò)程中刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)電流數(shù)值標(biāo)記為I1，由I1的數(shù)值可以分析得出機(jī)頭電機(jī)的實(shí)時(shí)負(fù)載，將機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)電流標(biāo)記為I2，由I2的數(shù)值分析得出機(jī)尾電機(jī)的實(shí)時(shí)負(fù)載。當(dāng)I1=I2時(shí)，說(shuō)明刮板輸送機(jī)機(jī)頭電機(jī)和機(jī)尾電機(jī)均處于正常負(fù)載范圍，未發(fā)生過(guò)載故障，處于功率平衡狀態(tài)。功率平衡控制原理如下頁(yè)圖3所示。

圖3 功率平衡控制原理

3.1.2 功率平衡控制

當(dāng)I1≠I(mǎi)2時(shí)，說(shuō)明機(jī)頭和機(jī)尾位置電機(jī)存在過(guò)載或者欠載的情況，需要進(jìn)一步識(shí)別判斷具體故障。當(dāng)I1＞I2時(shí)，即機(jī)頭位置電動(dòng)機(jī)工作電流大于機(jī)尾位置電動(dòng)機(jī)電流，設(shè)置當(dāng)I1-I2＞0.05I2時(shí)，判斷機(jī)頭電動(dòng)機(jī)存在過(guò)載，此時(shí)PLC會(huì)發(fā)出控制變頻器1的信號(hào)，提高機(jī)頭電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓機(jī)尾電動(dòng)機(jī)分擔(dān)機(jī)頭負(fù)載，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的功率平衡。相反的，當(dāng)I1＜I2時(shí)，即機(jī)頭位置電動(dòng)機(jī)工作電流小于機(jī)尾位置電動(dòng)機(jī)電流，設(shè)置當(dāng)I2-I1＞0.05I1時(shí)，判斷機(jī)尾電動(dòng)機(jī)存在過(guò)載，此時(shí)PLC會(huì)發(fā)出控制變頻器2的信號(hào)，提高機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，讓機(jī)頭電動(dòng)機(jī)分擔(dān)機(jī)尾負(fù)載，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的功率平衡。

3.2 PLC控制系統(tǒng)

變頻控制系統(tǒng)的核心控制部件為PLC，結(jié)合刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，重新選擇了PLC控制器，型號(hào)為DX-MA01。該控制器具有高度集成，自帶多個(gè)輸入/輸出端口，輸出端能夠直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能。CPU使用的是32位的TC1796，采樣頻率高達(dá)150 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)4 MB+80 kB的存儲(chǔ)量；輸入/輸出端口具有很好的可擴(kuò)展性能，便于后續(xù)系統(tǒng)的繼續(xù)改進(jìn)開(kāi)發(fā)。

3.3 傳感器選型

電流傳感器作為刮板輸送機(jī)實(shí)時(shí)信號(hào)采集的主要元件，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)電流的任務(wù)，電流信號(hào)傳輸至PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，即可得到刮板輸送機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行載荷情況，因此其選型工作至關(guān)重要。結(jié)合實(shí)際需求選擇了型號(hào)為CSNR16Ⅰ的電流傳感器，能夠適用于煤礦井下較為惡劣的工作環(huán)境，同時(shí)具有監(jiān)測(cè)電流范圍大、響應(yīng)時(shí)間短、精度高度優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)機(jī)速度監(jiān)測(cè)選擇型號(hào)為NJ4-12GM40-E的傳感器，它是一種三線制電感式速度傳感器，工作時(shí)的電壓為直流24 V，持續(xù)電流數(shù)值為200 mA。

3.4 變頻控制系統(tǒng)

刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程電動(dòng)機(jī)的變頻控制實(shí)現(xiàn)原理是以電流平均值直接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，如圖4所示。由圖4可以看出，電流I1和電流I2分別代表刮板輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的定子電流，分析之后能夠得到各個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況，之后根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩比與額定值的偏差來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率平衡的目的。

圖4 變頻控制原理框圖

為了使刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程可以按規(guī)定的速度曲線啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功率的平衡，在變頻控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，對(duì)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)順序和啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了控制，能夠更好地改善變頻啟動(dòng)時(shí)，機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率不平衡的現(xiàn)象。

4 軟件控制實(shí)現(xiàn)

完成刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工作之后開(kāi)發(fā)軟件控制流程，以實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程變頻控制功能，軟件控制流程如圖5所示，刮板輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率平衡控制。具體控制流程如下：由PLC實(shí)時(shí)采集刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的電流I1和I2，并比較二者的差值ΔI=I1-I2。當(dāng)I1=Imax時(shí)，需要進(jìn)行三種情況的判斷分析，第一種是ΔI＜0.05Ie時(shí)，PLC控制器輸出變頻控制信號(hào)提高機(jī)頭電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率；第二種是ΔI＞0.1Ie時(shí)，PLC控制器輸出變頻控制信號(hào)降低機(jī)頭電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率；第三種是0.05Ie＜ΔI＜0.1Ie時(shí)，PLC控制器輸出變頻控制信號(hào)保持機(jī)頭電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率。

圖5 刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程功率平衡軟件流程

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

為了驗(yàn)證刮板輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于某煤炭企業(yè)刮板輸送機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，跟蹤記錄控制系統(tǒng)運(yùn)行情況。結(jié)果表明，該變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率的平衡控制功能。原來(lái)恒速運(yùn)行啟動(dòng)方式，在運(yùn)輸量3 000 t/h條件下，年運(yùn)輸量2 000萬(wàn)t的情況計(jì)算得到總耗電量費(fèi)用約為225.40萬(wàn)元，而變頻控制系統(tǒng)的投入使用，相同運(yùn)行模式下計(jì)算得到的總耗電量費(fèi)用約為191.00萬(wàn)元，為煤炭企業(yè)節(jié)約耗電費(fèi)用34.4萬(wàn)元，大大降低了煤炭企業(yè)的運(yùn)行成本。

6 結(jié)語(yǔ)

刮板輸送機(jī)作為煤炭企業(yè)正常開(kāi)展工作的重要輸送設(shè)備，其控制系統(tǒng)的先進(jìn)性直接關(guān)系的煤炭企業(yè)的運(yùn)行成本。針對(duì)某煤炭企業(yè)刮板輸送機(jī)恒速運(yùn)行模式的現(xiàn)狀，開(kāi)展了啟動(dòng)過(guò)程變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，試運(yùn)行應(yīng)用結(jié)果表明，變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)機(jī)頭電動(dòng)機(jī)和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)功率的平衡控制功能。相同輸送煤量條件下，恒速控制啟動(dòng)時(shí)年總耗電量費(fèi)用約為225.40萬(wàn)元，而變頻控制系統(tǒng)的投入使用，使年總耗電量費(fèi)用降為191.00萬(wàn)元，為煤炭企業(yè)節(jié)約耗電費(fèi)用34.4萬(wàn)元/年，降低了煤炭企業(yè)的生產(chǎn)成本，大大提高了煤炭的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。