變頻技術在井下皮帶運輸機上的應用

摘 要:隨著《中華人民共和國節約能源法》將變頻調速列入通用節能技術，該技術作為一項重點節能技術在全國范圍內迅速推廣。目前，其完善的電力電子保護功能、高效的工作系統、以及節能效益與調速精確性等技術優勢已被相關企業認可，成為煤炭企業電動機調速方式設計中的首選。本文結合筆者的工作經驗，分析了變頻技術在井下皮帶運輸機應用中的技術特性和工作原理，并討論了變頻技術在實際應用中的一些應注意的問題。

關鍵詞:井下皮帶運輸 變頻控制技術 原理 應用

中圖分類號:TD634文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0052-01

1 變頻技術在井下皮帶運輸機上的應用背景

1.1 變頻技術在井下皮帶運輸中的應用趨勢

隨著我國大型新建、擴建煤礦的建設投產，煤炭產業對長距離、大運量皮帶運輸機的需求逐年遞增。然而考慮到井下具體現場工況環境的復雜性和多變性，傳統運輸機在設計過程中多采用大功率、高能耗、24小時不間斷的直流傳動調速方式，在實際運營中存在著能耗浪費、操作不便、維護成本過高、穩定性差等諸多問題。

針對這些問題，技術工作者們開始在運輸機等電動機設計中引入軟啟動等一系列智能調速技術，以實現整個井下運輸系統的科學啟動和制動。隨著《中華人民共和國節約能源法》(第39條)將變頻調速列入通用節能技術，變頻調速技術作為一項重點節能技術在全國范圍內迅速推廣，其完善的電力電子保護功能、高效的工作系統、以及節能效益與調速精確性等技術優勢已被相關企業認可，成為煤炭企業電動機調速方式設計中的首選。

1.2 變頻系統的技術優勢

基于PLC的變頻控制系統是通過控制電壓與頻率來改變電機速度的電氣調節技術，與傳統的機械控速方式相比，具有以下優點:變頻系統提高了傳動系統的工作效率，使轉差損失減小，效率可達90%～95%甚至更高，實現了運輸機的節能目標;啟動和制動的軟啟動減少了電流對電網及皮帶的沖擊力度，能實現精確定位、寬頻調速，并具有欠壓、過壓、過流、過載等各種保護功能和防爆功能，使整個系統的安全性極大地提高;體積小、占地少、安裝維護便捷、投資成本低。

2 基于PLC控制技術的皮帶運輸系統

2.1 變頻系統的組成與功能

PLC作為控制器要求能夠按要求輸出頻率指令，與帶速傳感器、電機轉速傳感器、運量傳感器和電流傳感器連接構成閉環控制。該系統主要由CPU、A/D模塊、D/A模塊、I/O輸入輸出模塊組成。CPU是PLC的“大腦”，它讀入輸入模塊的狀態，根據已存入的用戶邏輯進行判斷，然后控制輸出模塊驅動控制對象。

在井下工作時，PLC控制系統需具有的功能包括:將井下工況及時分類反映到CRT顯示器或總調度室模擬盤上，以便在最短時間內作出控制調整反應，并在出現故障時及時得到處理及排除，達到完善保護設備的目的;對運輸機群及其輔助設備實行整合與集中調控，并充分結合井下環境的特殊要求，提高其適應性和高穩定性，即有自動控制、分區控制與集中控制模塊，并具備啟動預告、聯系信號、緊急停車等基本功能和機頭堆煤、煙霧、斷帶等保護功能，此外，PLC系統還應在任何控制方式中具備嚴格的聯鎖閉鎖關系。具有順煤流、逆煤流多種起動停車方式。起動停車時限任意選擇，并能根據要求對皮帶運輸機的主電機、輔助電機等電氣設備進行有效的控制，并能根據負荷的大小自動投切使用電機，或者根據負荷情況以及運行狀況調節電機運行速度，設備運行始終處于經濟合理的狀態。

2.2 變頻系統在井下皮帶運輸機上的應用原理

交流異步電動機的轉速公式為:

N =60f (1-s)/p。

式中:N——電機轉速，r/min;f——定子供電頻率，Hz;p——極對數;s——轉差率。

可見，電動機的旋轉速度主要取決于電動機的磁極對數和電源頻率。電動機的磁極對數通常在生產完成后就會是一個定值，可看作是常數。因此要對電動機進行控制只有通過對其頻率的改變來完成，即改變電動機的電源頻率就可以對電動機的轉速進行調節。如果只改變頻率而不調整電壓就會引起電動機燒毀，因此必須在頻率下降的同時降低電壓，這種電壓與頻率的配合變化稱為恒磁通變頻調速中的協調控制。

根據皮帶運輸系統具有恒功率和恒轉矩特性，其功率為:

P =NT/C。

式中:N——電機轉速;T——電機轉矩;C——常數。

當改變轉速時，電機功率相應地成正比例變化。一般認為，對于恒功率負載不能實現節能，但因設計過程中設備選型有充分余量，故仍有極大的節能潛力。綜上所述，具有恒功率和恒轉矩特征的井下皮帶運輸系統，是能夠實現節能的。

3 變頻調速技術運用中應注意的問題

3.1 變頻器的散熱

精密電子設備的穩定性與溫度具有密切關聯，因此為保證變頻器的正常工作，必須將溫度控制在其最高允許溫度以下，但由于井下作業條件惡劣，不具有良好散熱環境，因此應通過選用熱管散熱器降低設備溫度。散熱器的選型應充分考慮到流體對熱管的迎面質量流速，計算以光管為表面的對流換熱系數，計算熱管蒸發段和冷凝段的長度及總表面積，確定熱管數目及布置形式，計算流體阻力等。

3.2 對帶速的確定和調節

應根據不同礦井的具體工作環境及不同運量等進行皮帶運輸機的阻力分析，并運用模糊控制理論，設計帶速一定后的最佳啟動方式，提高系統的精確程度。一般情況下，可選擇具有延遲時間的s型起動曲線。即設穩定帶速為v0，起、制動時間為T0時，啟動開始，此時加速度為0，到T0/2時，加速度達到最大值，速度達到v0/2;此后加速度逐漸對稱降低，速度繼續增加;達到設計帶速時，加速度降為零，完成啟動過程。輸送帶在啟動之前，輸送帶處于松弛狀態，為避免輸送帶的沖擊，將輸送帶拉緊后啟動，可進一步改善啟動性能。因此，在啟動開始階段加入一個時間延遲段，延遲段的速度一般取為設計帶速的10%。

4 結語

綜上所述，皮帶運輸機的傳統控制方式由于井下工作環境的復雜性和變化性極易造成能耗浪費與電流過大引發的安全事故，因此必須采用靈活的控制方法對其進行優化。實踐證明，通過PLC與調速電機、傳動裝置的配合，可以達到對皮帶運輸機速度的軟性控制，實現設備高可靠性、高精確性、安全節能的設計目標。

參考文獻

[1]丁太木.變頻器在煤礦井下皮帶輸送機中的應用[J].煤炭技術，2007(9).

[2]胡馬根.PLC在皮帶輸送機控制中的應用[J].科協論壇(下半月)，2007(2).

[3]鄭慧.井下帶式輸送機用變頻調速技術的研究[D].山東科技大學，2005.

[4]于繼銘，張曉冬，耿宇缽.礦用井下皮帶運輸機智能控制系統[J].電氣應用，2006(9).