刮板輸送機(jī)智能變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用

李清汝

（潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部健康安全環(huán)保部，山西 襄垣 046204）

0 引言

現(xiàn)階段，我國綜采工作面主要運(yùn)輸設(shè)備是刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)。變頻調(diào)速技術(shù)可以降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電網(wǎng)故障和機(jī)械振動，減少鏈輪、鏈條等主要部件的磨損，提高刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的使用壽命[1]。本文以智能刮板輸送機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及轉(zhuǎn)載機(jī)等多種主要參數(shù)的耦合為變頻調(diào)速的基礎(chǔ)，并根據(jù)綜合評價指數(shù)的大小，進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)。

1 工作面及設(shè)備簡介和系統(tǒng)布置

1.1 工作面及設(shè)備簡介

山西某煤礦的核定能力為8 萬t/a，2S103 的智能化開采工作面位于山西組井田2-2 下的一盤區(qū)，深度為180～220 m，下煤層厚2.7～3.65 m，平均3.2 m，作業(yè)面長度為250 m，最大推進(jìn)寬度為1400 m，最大工業(yè)儲備為170 kt。根據(jù)智能綜采工作面的機(jī)械設(shè)備配套狀況、煤層地質(zhì)要求、生產(chǎn)需要，制定了一個基于智能綜采工作面變頻調(diào)速控制器，主要應(yīng)用以下的機(jī)械設(shè)備：

1）刮板輸送機(jī)的型號為SGZ 1000/2565 型，其輸送能力為3000 t/h，鏈速為1.6 m/s，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 刮板輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2）轉(zhuǎn)載機(jī)型號為SZZ 1200/525，具有3500 t/h 的輸送能力，1.96m/s 的鏈速，部分驅(qū)動電機(jī)功率為525 kW，減速比為24∶1。

3）地下移動變電站類型為KBZSGZY-3150/10/2×1.905YZ 隔爆變電站，高壓一側(cè)電壓為10 kV，低壓側(cè)為1.905 kV 2 路、380 V 的1 路[2]。

4）礦用隔爆型高壓變頻器有BPJV-3X1250/3.3和BPJV-2X1250/3.3 兩種，三路輸出，每路輸出用于1250 kW 及以下三相交流異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。三個電動機(jī)同時運(yùn)行，其內(nèi)部輸出電路可自動實現(xiàn)功率平衡控制，兩個變頻調(diào)速系統(tǒng)可以互鎖通訊。變頻裝置采用12 脈動整流器，減少變頻控制對電網(wǎng)的影響。轉(zhuǎn)換器的整流器電壓由疊加在直流電源上的兩個整流器組成。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，三電平逆變器對輸出的諧波有一定的削弱作用，這也保障了電機(jī)的主要工作性能[3]。

5）礦用隔爆本安控制箱選擇KXJ127（A）型，其內(nèi)部裝有PLC 控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)刮板輸送機(jī)以及轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行功率的智能化控制。

1.2 智能變頻控制系統(tǒng)的布置

本文以刮板輸送機(jī)為研究對象，當(dāng)移動式變電所容量為2500 kV 時，主要配電網(wǎng)的接線見圖2。4 個電源線路的輸出端分別與變頻器輸入Ⅰ和下輸入Ⅰ相連接。該變頻器由移動變電所供電，電力來自三相四線AC380 V 可移動電源。該變頻器采用移動變電所作為變頻器的連接裝置，內(nèi)部裝有三繞組變壓器，得到12 脈寬的整流電源，從而輸出功率為AC1700 V，變壓器各副邊線圈之間的相位差為30°。直流電路的電壓由兩個整流電源的電壓組成，以減少變流器對電網(wǎng)側(cè)的諧波干擾。

圖2 刮板輸送機(jī)系統(tǒng)接線圖

高壓3 型混合變頻調(diào)速裝置包括3 條輸出線，分別應(yīng)用到平行頭、垂直頭、尾部855 kW 電機(jī)；高壓2型混合變頻調(diào)速裝置有兩條輸出線，一條線路用于驅(qū)動525 kW 的電動機(jī)，一條用于備用。

2 控制系統(tǒng)硬件

刮板輸送機(jī)的控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、高壓變頻器、顯示系統(tǒng)以及煤量掃描器等結(jié)構(gòu)組成。2個變頻調(diào)速裝置均由本安型PLC 控制，可實現(xiàn)局部、遠(yuǎn)程、定速、高速、低速、智能調(diào)速等功能，并具備聯(lián)網(wǎng)通訊的能力，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的監(jiān)控和控制。變頻控制系統(tǒng)的控制原理如圖3 所示。

圖3 變頻控制系統(tǒng)的控制原理示意圖

PLC 采用S7-300CPU315-2DP/PN 模塊，通過采集變頻器和采煤機(jī)的工作數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，如刮板輸送機(jī)的運(yùn)行功率、運(yùn)行電流等，實時變頻控制，以滿足刮板輸送機(jī)以最佳的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸工作。此外，變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)引入了軟件控制技術(shù)，能夠動態(tài)顯示、記錄、存儲各種類型的信息。

3 調(diào)速控制運(yùn)算原理

調(diào)速控制運(yùn)算是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，其工作原理是根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)類型，設(shè)定判定矩陣，求出各個成分的權(quán)重分布，得到一個綜合評價指數(shù)，并依據(jù)評價指數(shù)的大小，對其進(jìn)行相應(yīng)的速度調(diào)節(jié)[4]。

3.1 權(quán)值的計算

首先，要對各個因子進(jìn)行對比性分析。表1 顯示了判定矩陣的尺度和意義。

表1 判定矩陣的尺度和意義

現(xiàn)在假定Ai、Aj代表評估因子（i=1、2、...、n；j=1，2，...，n）。Aij代表Ai與Aj之間的關(guān)系，如表1 所示。通過對各因子進(jìn)行對比，得出判定矩陣：

其中Aij＞0，Aii=1，Aij=1/Aji。

在此基礎(chǔ)上，利用方根法，對判定矩陣P 的本征矢量和本征根進(jìn)行了求解。最大特征根為：

對向量T=（T1，T2，…，Tn）作歸一化處理：

最終算出的特征向量K=（K1，K2…Kn），即加權(quán)向量。各指標(biāo)的權(quán)重向量k=（0.38，0.27，0.24，0.11），其中刮板輸送機(jī)電流權(quán)重為0.38，采煤機(jī)機(jī)電流為0.27，采煤機(jī)速度為0.24，采煤機(jī)位置為0.11。但是，各指標(biāo)的權(quán)重并不是一成不變的。在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合礦山的實際設(shè)備條件和實際地質(zhì)條件，對各個指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.2 綜合評判指標(biāo)計算

通過對采煤機(jī)轉(zhuǎn)速、采煤機(jī)位置、采煤機(jī)電流、刮板輸送機(jī)電流4 項指標(biāo)權(quán)重的計算，得出了刮板輸送機(jī)的調(diào)速綜合評價指標(biāo)：

式中：Ae為各個指標(biāo)的電流額定值。

同樣，根據(jù)轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)矩和掃煤機(jī)動態(tài)掃描參數(shù)，得出轉(zhuǎn)載機(jī)變頻調(diào)速的綜合評價指標(biāo)B。

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的實際運(yùn)行

在試驗的智能綜采工作面設(shè)備準(zhǔn)備階段，針對不同工況下刮板輸送機(jī)和輸送機(jī)的工作方式，給出了三種頻率控制方案。根據(jù)智能綜采工作面節(jié)能、綠色、環(huán)保的特點，比較了三種變頻調(diào)速方案在實際應(yīng)用中的運(yùn)行效率和能耗，并最終得到了理想的調(diào)速方案。

方案1 中，綜合評價指標(biāo)A、B 判定后，根據(jù)評價指標(biāo)的動態(tài)變化，對刮板輸送機(jī)、輸送機(jī)分別進(jìn)行變頻調(diào)整。方案2 中，綜合評價指標(biāo)A 確定后，再依據(jù)綜合評定指標(biāo)的動態(tài)變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)刮板機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。該設(shè)備以恒運(yùn)速、高轉(zhuǎn)速工作。方案3 中，在對綜合評價指標(biāo)的A、B 值作出確定后，再按照綜合評定指數(shù)的動態(tài)變化對刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)作出適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于刮板輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速時，可以調(diào)整為轉(zhuǎn)載機(jī)的轉(zhuǎn)速和刮板輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速相同；當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)的轉(zhuǎn)速大于刮板輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速時，就以此時的速度運(yùn)行。

經(jīng)實際操作比較，在應(yīng)用方案1 時，刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)速度調(diào)節(jié)方式不同，但有時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速滯后的情況，使得轉(zhuǎn)載機(jī)屢次出現(xiàn)壓死停機(jī)的現(xiàn)象，從而影響生產(chǎn)；應(yīng)用方案2，在高速、恒速下，它能有效地克服方案1 的速度滯后問題，但無法按照對應(yīng)的負(fù)載來實現(xiàn)變頻調(diào)速；方案3 既解決了裝載機(jī)的轉(zhuǎn)速滯后問題，又確保了裝載機(jī)在最大負(fù)荷下工作。經(jīng)三種方案的實際運(yùn)行結(jié)果對比分析，結(jié)果表明，方案3 能很好的避免轉(zhuǎn)載機(jī)速度滯后問題，并使其在最大負(fù)荷下工作，取得了較好的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

本文根據(jù)工程實例，將PLC 控制的調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的運(yùn)行控制中。通過實時調(diào)整轉(zhuǎn)載機(jī)的牽引速度等關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)前刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)位置的動態(tài)調(diào)整以及刮板輸送機(jī)的運(yùn)行速度在一定程度上減少了刮板輸送機(jī)的功率損失，提高了設(shè)備的使用壽命，取得了良好的效果。