刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)分析及優(yōu)化研究

苗 軍

（汾西礦業(yè)高陽煤礦，山西 孝義 032300）

引言

刮板輸送機(jī)是采掘作業(yè)面物料運(yùn)輸主要設(shè)備，并為采煤機(jī)移動提供軌道、液壓支架推移提供支點(diǎn)，刮板輸送機(jī)工作效率直接影響采掘工作效率[1-2]。隨著煤炭開采強(qiáng)度以及采掘深度增加，傳統(tǒng)的刮板輸送機(jī)驅(qū)動方式難以滿足生產(chǎn)需要，為此眾多研究學(xué)者對刮板輸送機(jī)啟動裝置展開研究，但是研究重點(diǎn)集中在驅(qū)動裝置性能，對控制系統(tǒng)優(yōu)化方面研究相對較少[3-5]。為此，以山西某礦3206綜采工作面使用的SGZ880/800刮板輸送機(jī)為研究對象，提出將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到刮板輸送機(jī)運(yùn)行控制中，再對刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行分析并針對性優(yōu)化，以期為其他礦井刮板輸送機(jī)驅(qū)動優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 采面刮板輸送機(jī)概況

刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾兩側(cè)電機(jī)帶動刮板鏈往返移動，將采掘作業(yè)面截割的煤炭運(yùn)輸至轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)，最后運(yùn)輸至地面?，F(xiàn)階段礦井刮板輸送機(jī)常用驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)包括有變頻驅(qū)動、CST驅(qū)動、液力偶合器等方式，其中變頻驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速、軟啟動等，在煤礦井下應(yīng)用逐漸廣泛。礦井刮板輸送機(jī)采用液力偶合器驅(qū)動，該種方式存在應(yīng)用方式落后、啟動沖擊大等問題，為此，提出將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到刮板輸送機(jī)控制中。

2 刮板輸送機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速直接影響刮板輸送機(jī)運(yùn)輸速度，具體異步電機(jī)轉(zhuǎn)速可用式（1）確定[6]：

式中：n0為異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f1為異步電機(jī)輸入電流頻率，Hz；p為異步電機(jī)極對數(shù)。

從式（1）看出，刮板輸送機(jī)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電流頻率間呈正相關(guān)趨勢，因此通過調(diào)節(jié)輸送電流頻率即可調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度。

刮板輸送機(jī)采用變頻控制后可有效解決啟動過程中啟動電流過大問題，同時避免急啟、急停問題，具體刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

刮板輸送機(jī)變頻控制主要依靠PLC實(shí)現(xiàn)，為提高變頻控制效果提出采用DX-MA01控制器作為變頻控制核心組件，該控制器直接控制電壓比例閥及開關(guān)閥、輸入及輸出端口多、高度集成等優(yōu)點(diǎn)?？刂破饔肨C1796型處理器、內(nèi)存4 MB+8 kB、采用頻率150 MHz，I/O端口擴(kuò)展性強(qiáng)，具體刮板輸送機(jī)變頻控制系統(tǒng)部分I/O端口分配情況見表1。

變頻系統(tǒng)采用CSNR161電流傳感器，該傳感器可適應(yīng)井下潮濕、高粉塵環(huán)境，具備精度高、速度快以及檢測范圍廣等；選用NJ4-12GM40-E速度傳感器。

3 變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化

刮板輸送機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩啟動控制方式，具體結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

電流i1、i2分別表征機(jī)頭、機(jī)尾電流，同時也可反映機(jī)頭、機(jī)尾驅(qū)動裝置負(fù)載，同時通過分析負(fù)載轉(zhuǎn)矩與允許值間偏差來實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾驅(qū)動裝置功率平衡。為實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)按照預(yù)先設(shè)定速度曲線運(yùn)行，需對機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)啟動時間、啟動順序等進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

表1 部分I/O端口分配

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制策略

3.1 啟動優(yōu)化

對變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用后刮板輸送機(jī)輕載、重載時機(jī)頭、機(jī)尾功率差以及最大張力等進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見表2、表3。

表2 空載啟動

表3 重載啟動

從表2看出，在空載啟動時啟動時間差會影響機(jī)頭、機(jī)尾最大張力以及功率差。啟動機(jī)頭最大張力、機(jī)尾最大張力分別隨啟動時間差增加分別降低、增加。根據(jù)表2可知，啟動時間差為3 s時，機(jī)頭、機(jī)尾最大張力差以及功率差最小，分別為4 kN、0.44 kW。

從表3看出，在重載啟動時，刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾最大張力與啟動時間差關(guān)系與輕載時一致；但功率差隨啟動時間差呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。根據(jù)表3監(jiān)測結(jié)果建議重載時啟動時間差為8 s，此時最大張力差以及功率差分別為106 kN、4.09 kW。

3.2 正常運(yùn)行階段優(yōu)化

對刮板輸送機(jī)處于正常運(yùn)行期間時變頻驅(qū)動進(jìn)行優(yōu)化，具體選用的機(jī)頭、機(jī)尾功率平衡控制方案如圖3所示。

圖3 正常運(yùn)行階段機(jī)頭、機(jī)尾功率平衡控制方案

如圖3所示，機(jī)頭、機(jī)尾轉(zhuǎn)矩分別為T1、T2，轉(zhuǎn)矩差為Δ。當(dāng)Δ＞0時，表示機(jī)頭驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩過大，可通過降低機(jī)頭轉(zhuǎn)矩方式實(shí)現(xiàn)功率平衡；反之，當(dāng)Δ＜0時，表示機(jī)尾電機(jī)鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩過大，可適當(dāng)降低機(jī)尾轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)論

為提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行效率以及可靠性，將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到3206工作面SGZ880/800刮板輸送機(jī)中，并進(jìn)行優(yōu)化。對刮板機(jī)輕載、重載兩種條件下機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)功率差以及最大張力差等進(jìn)行比對分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)頭、機(jī)尾功率差與啟動時間差有密切關(guān)聯(lián)，將啟動時間差為3 s時，刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾最大張力差、功率差分別為4 kN、0.44 kW；重載啟動時，適當(dāng)增大啟動時間差實(shí)現(xiàn)功率平衡，最佳啟動時間差為8 s。最后對刮板輸送機(jī)在平衡運(yùn)行階段機(jī)頭、機(jī)尾電機(jī)功率平衡系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化變頻控制系統(tǒng)，可提高刮板輸送機(jī)運(yùn)行可靠性。