基于變頻調速的帶式輸送機控制系統改造研究

鄭海峰

（陽煤集團一礦，山西 陽泉 045000）

陽煤一礦于1956年投產，設計年生產能力為11萬t，經過多年的創建，目前已成為一座年生產能力為800萬t的現代化大型礦井。由于帶式輸送機原控制系統性能差，無法實現軟啟、停，且重載啟動困難，因此故障率較高，對礦井的正常生產帶來不利影響，為解決這一問題，該礦進行了變頻控制系統改造。

1 工程概況

該煤礦井下西膠帶巷第三部帶式輸送機傾角為0～10°，運輸長度為730m，提升高度為12m，每小時輸送量為1000t，是西大巷煤炭運輸的主要強力帶式運輸機。該帶式輸送機的型號為DSJ20/100，采用型號為YBS-160BL(2×160kW)配套電機，膠帶為PVG1000S阻燃膠帶。該帶式輸送機主要技術參數見表1。

該輸送機本來使用兩臺功率為160kW的電機順序啟動，重載起車困難且啟動性能較差。因為電機功率較大且為一次性啟動，沖擊力強，輸送機運行速度固定不變，全速運行啟動會產生較大的電流，對礦井的安全生產和設備的安全運行造成直接影響。基于此，為了解決上述問題，本文選擇BPBT-315/660礦用隔爆型變頻調速器，充分利用目前已有設備，對帶式輸送機進行變頻優化改造，使其具有更好的性能。

表1 帶式輸送機技術參數表

2 改造方案研究

改造過程如下：

（1）帶式輸送機原有的啟停控制是由安裝在移動變電站負荷側的啟動器開關直接控制，這種啟動方式會產生較大的沖擊力，對設備造成嚴重的損害[1]。圖1為變頻調速安裝示意圖。

圖1 變頻調速安裝示意圖

具體改造方案如下：利用原有移動變電站進行供電，采用兩臺電源電壓為660V的電機和兩套控制功率為160kW的礦用隔爆型變頻調速裝置，以此來同時啟動兩臺電機；此外，為了對兩臺電機進行集中控制，再配備一臺集中控制臺，該控制臺具有系統過熱、短路、電機缺相、過電壓、過電流及過載等保護作用。

（2）采用PLC可編程控制器，實現集中控制，使兩臺電機同步運行，同時，帶式輸送機的運行速度根據運輸量的大小進行調節，電動機的啟停時間為0～180s范圍內可調，輸出頻率為0～60Hz范圍內可調；系統具有故障診斷、顯示、查詢和記憶等功能，對最后一次的故障參數和最近十次的故障記憶號碼進行保存；此外，采用PLC微機控制裝置，安裝本質安全型控制箱、操作臺及多種保護傳感器。

（3）啟動控制系統由變頻調速裝置和帶式輸送機變頻與變頻調速裝置構成，操作臺上設置故障鑒別指示燈、主要運行參數如速度、電壓、電流運行指示燈。

3 技術目標與實施要點

結合該礦實際情況，本次改造將DKB1-340/660型礦用隔爆型濾波電抗器進行配套使用，能夠實現將頻率不變的三相交流電轉變為頻率可連續調節的三相交流電流，同時可以吸收或消除產生的電磁污染和電磁干擾[2]。圖2為變頻調速原理圖，變頻調速過程如下：首先電路接通后，變頻調速裝置開始處于就緒狀態，啟動后，按照預先設定好的加速時間，變頻調速裝置輸出頻率從零開始逐漸增大，達到設定值后保持不變，電機開始正常運轉。停止運行時，按照預先設定的減速時間，變頻調速裝置輸出頻率開始逐漸減小，最后為零，此時變頻裝置輸出停機信號，電機停止工作，從而實現對電機的轉速進行調節[3]。

目前，該礦井除西膠帶巷第三部帶式輸送機外，北部東翼和北膠帶巷第三部帶式輸送機均采用該方法進行變頻改造且已進行使用。一年多的實際應用結果表明，改造后的帶式輸送機未出現過電機啟動燒毀、壓死膠帶等現象，具有良好的軟啟和軟停性能，尤其具有良好的重載起車效果。此外，檢低速驗帶方便檢修，提高了檢修效率和質量，對正常生產影響較小。綜合來看，改造后取得了良好的使用效果。

圖2 變頻調速原理圖

4 應用效果分析

4.1 軟起動和軟停止

該變頻裝置的加速度、減速度、停車時間和啟動時間都可以任意調節，為了使帶式輸送機平穩啟動，還可以匹配其具備的S型加減速時間，這樣可以大幅減小啟動和停止時所產生的沖擊力[4]。此外，由于膠帶運輸機運輸量會實時發生變化，該變頻系統可以根據運煤量的大小調整電機功率和運行速度，從而節約能耗同時使啟動更加平穩。

4.2 重載起動平穩

在運煤過程中，帶式輸送機可能會因為故障而出現立即停車，再次啟動時則為重載啟動，因此必須考慮其“重載起動”能力[5-6]。改造后的變頻裝置控制方式采用無速度傳感器矢量控制，低頻運轉時能夠輸出兩倍左右的轉矩。未采用變頻裝置時，該礦井帶式輸送機原啟動方式為直接啟動，啟動電流較大且啟動力矩小，經常由于膠帶不能啟動而造成膠帶壓死，根據礦井記錄資料，南膠帶巷第三部帶式輸送機出現壓死情況達十多次，對正常生產造成影響的時間累計達九十小時，嚴重影響礦井的正常生產，而自從改造以后，再未出現此種問題。

4.3 節能效果分析

對改造前后南膠帶巷第三部帶式輸送機耗能情況進行統計分析，表2和表3分別為改造前后能耗情況。

表2 改造前月度耗電量

表3 改造后月度耗電量

由表2和表3可知，改造前該帶式輸送機月度平均耗電量為86264kW·h，改造后月度平均耗電量為77893kW·h，改造前后月度平均用電量相差8371kW·h，降低了9.7%。因此，改造后每年可節約用電量100452kW·h，按照電價0.65元/（kW·h）計算，該帶式輸送機每年可節約電費65293元，節能效果較好。

4.4 故障率低、維護簡單、節約配件

由于設備使用的零部件供應商皆為知名廠商，設備質量較高，且實現了軟啟動、軟停止和重載啟動，因此在使用過程中設備故障率較低，節省了維修的時間，減小了因設備故障對生產造成的影響，減小了維護成本。根據歷年臺賬顯示，在改造前該帶式輸送機每年維護成本約為20萬元，而進行改造以后，主機系統幾乎沒有易耗易損配件，每年只需對常用的配件進行更換，每年可節省維護費用約10萬元。

4.5 工頻轉換功能

在設備運行時如果出現故障，為了檢修變頻設備同時又不影響正常生產，可切換至工頻旁路運行。此外，啟動以后變頻設備也可以切換到工頻狀態，這樣可延長變頻器內電解電容的使用壽命。

5 結語

為了解決該礦帶式輸送機啟動性能差、速度不可調及重載啟動困難的問題，本文進行了變頻調速系統優化改造。經過改造，實現了軟啟動、軟停止、根據運輸量進行調速、可重載啟動等功能。實際應用效果表明，該變頻調速系統具有良好的運行效果，大幅降低了故障率，減小了對正常生產的影響，且單臺帶式輸送機每年可節約電費6萬余元，年維護成本降低10余萬元，對于保證礦井的安全、高效生產具有重要意義。