帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速研究

周容卉

（上海電機(jī)學(xué)院，上海　201100）

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帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速研究

周容卉

（上海電機(jī)學(xué)院，上海201100）

摘要：帶式輸送機(jī)是廣泛運(yùn)用于電力、化工、冶金等領(lǐng)域的輸送設(shè)備，其工作的高效性和穩(wěn)定性是重要技術(shù)指標(biāo)。變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)變頻器可以任意改變電源輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到帶式輸送機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行及提高輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性等目的。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；變頻控制；軟起動(dòng)

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，帶式輸送機(jī)起動(dòng)摩擦力大且常處于滿載起動(dòng)狀況，輸送帶本身強(qiáng)度的限制要求輸送帶在起動(dòng)時(shí)加速度要小、起動(dòng)要平穩(wěn)。而且輸送機(jī)的負(fù)載一般不是固定的，在無(wú)負(fù)載或負(fù)載較低時(shí)，高速運(yùn)行對(duì)帶式傳送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損較為嚴(yán)重，且比低速運(yùn)行的耗電量大，此時(shí)的機(jī)械和電能被浪費(fèi)了許多。因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)若能夠根據(jù)起動(dòng)、運(yùn)行、停車(chē)要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證帶式輸送機(jī)處于最佳工作狀態(tài)下，可使帶式輸送機(jī)運(yùn)行高效、設(shè)備損耗降低。

交流變頻調(diào)速技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)，幾十年間以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果，以及在各生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛適用性得到了飛速發(fā)展，將變頻調(diào)速應(yīng)用到帶式輸送系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行等功能。

1　帶式輸送機(jī)的變頻控制

（1）帶式輸送機(jī)的工作特性。帶式輸送機(jī)的傳送帶慣性大，起動(dòng)時(shí)傳送滾筒的速度飛快增大，由于機(jī)械設(shè)備的慣性作用，整個(gè)傳送帶上應(yīng)力造成傳動(dòng)滾筒下面的回程傳送帶被放松，上面上行輸送帶被拉緊，使傳送帶受強(qiáng)應(yīng)力拉伸損傷鋼絲繩的縱向拉伸強(qiáng)度，降低了傳送帶的使用壽命。停止時(shí)，傳送滾筒的速度飛快減小，整個(gè)傳送帶上的應(yīng)力造成傳動(dòng)滾筒下面的傳送帶被拉緊，上面的上行輸送帶被放松。當(dāng)應(yīng)力減小幅度小于某一區(qū)域的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力時(shí)，傳送帶應(yīng)力降低，傳送帶下垂增加，會(huì)使傳送帶在陷入托輥，很容易使傳送物料散落，損傷托輥，甚至造成傳送帶斷裂。當(dāng)應(yīng)力增加幅度大于某一區(qū)域的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力時(shí)，拉緊裝置產(chǎn)生的巨大拉力會(huì)對(duì)傳送帶和滾筒等造成巨大傷害。因此，在起動(dòng)時(shí)慢起，在停止時(shí)慢停，可以把帶式輸送機(jī)增加能量和釋放能量的節(jié)奏都放緩，以保護(hù)動(dòng)力傳動(dòng)裝置與傳送帶，用變頻調(diào)速方式驅(qū)動(dòng)帶式輸送機(jī)可以達(dá)到這種改善起動(dòng)和制動(dòng)性能的目的。

（2）變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)。變頻調(diào)速是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，其特點(diǎn)是起動(dòng)能耗低、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。變頻調(diào)速使用最多的電壓型變頻調(diào)速器主要由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成，工作時(shí)首先將三相交流電經(jīng)橋式整流變?yōu)橹绷麟姡}動(dòng)的直流電經(jīng)平滑濾波后通過(guò)逆變器變?yōu)殡妷骸㈩l率可調(diào)的三相交流電輸入電動(dòng)機(jī)。由變頻器調(diào)速原理可知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電頻率f的關(guān)系為：

式中：p為磁極對(duì)數(shù)，s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。通過(guò)變頻器改變電源頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。

（3）變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)的控制。圖1所示為帶式輸送機(jī)的設(shè)備組成，主要包括高壓開(kāi)關(guān)柜、變頻柜、變壓器、保護(hù)裝置、電機(jī)等。高壓變頻器對(duì)電機(jī)一拖一獨(dú)立控制，變頻器之間用PLC通訊控制，具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快等特點(diǎn)。

圖1　帶式輸送機(jī)系統(tǒng)組成

2　帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速

（1）軟啟動(dòng)。由于帶式輸送機(jī)屬于大慣量重載啟動(dòng)，因此在啟動(dòng)過(guò)程中要采用S曲線起動(dòng)以降低動(dòng)應(yīng)力，保證輸送帶受力均勻，延長(zhǎng)輸送帶及整機(jī)的壽命。S起動(dòng)曲線如圖2所示。

圖2　S起動(dòng)曲線

S型起動(dòng)曲線的速度方程為：

式中v（t）是某一時(shí)刻滾筒的線速度，即帶速；v0是穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的帶速；T0是起、制動(dòng)時(shí)間；t是起、制動(dòng)過(guò)程中的某一時(shí)刻。

圖3　升5降4段折簡(jiǎn)化式S曲線

（2）節(jié)能調(diào)速。帶式輸送機(jī)工作過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)量變化相應(yīng)調(diào)整帶速可達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。運(yùn)量Q和帶速V是直接影響功率P的主要因素，不同運(yùn)量下帶式輸送機(jī)功率與帶速的關(guān)系曲線如圖4，其中Q1>Q2>Q3。由圖4可以看出，Q一定時(shí)，P與V成正比。V增大，則克服阻力所消耗的功率也增大，V減小，則能降低功率消耗以達(dá)到節(jié)能目的。但是帶速的大小被輸送量與帶強(qiáng)制約，因此應(yīng)充分挖掘帶強(qiáng)的潛力，在滿足安全的情況下取較低的帶速以達(dá)到節(jié)能目的。

圖4　功率與帶速關(guān)系曲線

3　 PLC控制帶式輸送機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

利用可編程邏輯控制器PLC作為控制模塊，變頻器和電機(jī)作為執(zhí)行模塊和反饋模塊構(gòu)成帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)、軟停車(chē)以及根據(jù)運(yùn)輸量調(diào)節(jié)帶速，大大節(jié)約了耗能，降低了系統(tǒng)設(shè)備的機(jī)械損耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

（1）系統(tǒng)硬件組成。帶式輸送機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由控制裝置、變頻器、執(zhí)行電機(jī)組成，控制裝置有上位機(jī)、PLC、通訊模塊等。系統(tǒng)硬件框圖5如圖所示。PLC具有起動(dòng)信號(hào)給定、數(shù)據(jù)采集、速度控制、與上位機(jī)通訊等功能，變頻器具有運(yùn)行狀態(tài)反饋（電流信號(hào)）、故障自診斷與反饋、過(guò)載保護(hù)等功能。

圖5　控制系統(tǒng)框圖

（2）控制方案。用變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車(chē)。PLC控制模塊根據(jù)動(dòng)態(tài)負(fù)荷實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)速，采集變頻器輸出的電流反饋信號(hào)，計(jì)算處理后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率，控制變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改變帶式輸送機(jī)的帶速。負(fù)荷增加，帶速增大到期望值后穩(wěn)定運(yùn)行；負(fù)荷減小，帶速減小到期望值后穩(wěn)定運(yùn)行；空載時(shí)以最低速運(yùn)行。控制運(yùn)算部分有3個(gè)運(yùn)算模塊：電流負(fù)載運(yùn)算、負(fù)載速度運(yùn)算、速度頻率運(yùn)算，由反饋的電動(dòng)機(jī)電流對(duì)應(yīng)出負(fù)載大小，根據(jù)負(fù)載大小計(jì)算電動(dòng)機(jī)最佳運(yùn)行速度，根據(jù)最佳運(yùn)行速度計(jì)算輸出控制頻率。控制流程如圖6所示，變頻調(diào)速裝置具有遠(yuǎn)程通訊接口，采用上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，變頻器具有故障自診斷功能，能實(shí)時(shí)將故障信號(hào)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)接收后輸出報(bào)警信號(hào)與停車(chē)信號(hào)。

圖6　控制流程圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了可編程控制器PLC與變頻器應(yīng)用于帶式傳輸機(jī)的軟起動(dòng)與智能調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，軟起動(dòng)降低了設(shè)備的機(jī)械磨損，智能調(diào)速在很大程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，充分發(fā)揮了變頻器的調(diào)速功能和電機(jī)的性能，增加了帶式輸送機(jī)運(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率，提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

The Study on the Frequency Conversion Control of Belt Conveyor

ZHOU Rong-hui
（Shanghai Dianji University，Shanghai 201100，China）

Abstract:Belt conveyor is a widely used transportation equipment in the field of electricity and chemical，its working efficiency and stability has important significance for industrial production.Variable frequency speed regulation technology can arbitrarily change the power output frequency by using the frequency converter to adjust motor speed.This paper analyzed the application of the frequency control technology in Soft-starting and intelligent speed regulation of belt conveyor，in order to improve the transmission system stability and be more efficient.

Key words:belt conveyor；frequency conversion control；soft-starting

作者簡(jiǎn)介：周容卉（1989-），女，安徽阜陽(yáng)人，碩士，主要從事機(jī)電教學(xué)工作。

收稿日期：2016-01-14

中圖分類號(hào)：TH222

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）01-0059-02