綜采工作面帶式輸送機節能調速策略的設計

蘆國宏

（西山煤電鎮城底礦綜采一隊， 太原 古交 030203）

引言

近年來，隨著綜采工作面采煤工藝及綜采設備自動化水平不斷提升，傳統的低速、小運量以及短距離的帶式輸送機已不能夠滿足實際生產的需求，未來帶式輸送機將朝著大運量、長距離、高速度的方向發展[1]。在實際生產過程中，帶式輸送機的實際運量常在滿載、空載以及輕載等狀態下波動，而其運速與運量存在極度不匹配，造成了系統能量極大的損失。為了解決長距離、大運量、多電機帶式輸送機在實際運行過程中帶速與運量不匹配以及在啟動階段功率不平衡的問題，在設備控制系統中引入基于耦合補償和變頻調速的控制策略。

1 帶式輸送機概述

本文所研究帶式輸送機為頭尾雙驅型，該類型帶式輸送機包含有兩個電機，主要由輸送帶、驅動裝置、滾筒、托輥以及拉緊裝置等組成。帶式輸送機的系統結構如圖1所示。

圖1 帶式輸送機系統結構圖

針對帶式輸送機啟動階段和運行階段的變頻節能調速策略的設計，需掌握該設備的相關參數及特性，旨在通過節能調速策略解決啟動階段的功率平衡問題和運行階段運速與運量相匹配的問題[2]。

一般情況下，綜采工作面的輸送機分為帶式輸送機和刮板輸送機。本文將以鎮城底礦使用的帶式輸送機為研究對象。輸送帶主要包括有外部覆蓋層、中間骨架、隔離層三部分。為確保其能適應工作面的生產需求，輸送帶須具備良好的靜特性、動特性以及黏彈性。其中，動特性作為其在工作中所體現的性能需滿足滯后特性、蠕變特性、松弛特性以及頻率特性。目前，在眾多的黏彈性模型中以Voigt模型最為能夠體現輸送帶實際的黏彈性。因此，本文在建模中采用Voigt模型進行仿真建模。

2 帶式輸送機啟動階段節能策略的設計

對于雙電機帶式輸送機而言，在眾多因素共同影響的作用下各個電機不可避免地出現了功率不平衡的問題。啟動階段帶式輸送機功率不平衡問題不僅會造成電機的燒毀和驅動裝置的磨損，還會造成能量的損失。

造成雙電機帶式輸送機啟動階段出現各電機功率不平衡問題的因素包括有靜態因素和動態因素。其中，靜態因素為帶式輸送機的相關設計參數等；動態因素包括有其在運行過程中所承受的阻力及其電機的輸出轉矩，阻力與設備的運量相關，而電機的輸出轉矩與所選電機的型號相關[3]。

鑒于相關設計參數在其設計初期已經完全確定。因此，對于雙電機在運行過程中功率不平衡問題僅能通過改變調節供電頻率解決，即采用變頻調速策略。

帶式輸送機啟動階段功率不平衡問題是通過采用耦合補償的思路解決。耦合補償系統能夠對設備中兩個電機的參數進行實時監測，當發現某個電機的運行狀態存在一定的差異性時，系統會給予一定的補償。通過上述策略對帶式輸送機控制器進行雙向補償，為實現電機的同步奠定基礎。控制策略結構如下頁圖2所示。

基于上述控制策略，控制系統需實時掌握兩電機轉速、電流等參數值，進而判斷電機的狀態。當一臺電機為發電狀態，另一臺為電動狀態時，需對比兩臺電機的負載率。其中，當發電狀態電機的功率大于電動狀態電機的功率時，即為帶式輸送機帶動電機轉動，此時系統需制動力，通過減小電動狀態電機的頻率后才可進行功率平衡控制。反之，帶式輸送機需牽引力，需增加電動狀態電機的頻率后才可進行功率平衡控制。

圖2 帶式輸送機電機功率平衡策略

3 帶式輸送機運行階段節能策略的設計

針對帶式輸送機在實際運行過程中存在帶速與運量不匹配所造成能量浪費的問題，在實際生產中可采用減電機運行、異步電機Y-Δ接法變化、降電壓以及變頻調速解決。其中，減電機運行不適用于大運量、長距離帶式輸送機的運行；異步電機Y-Δ接法變化盡管應用相對成熟，但是其節能效果有限；降電壓技術相對復雜[4]。

綜上所述，可采用變頻調速的策略實現帶式輸送機運行階段帶速與運量相匹配，進而達到節能的效果[5]。目前，變頻器在工業生產中的應用相對頻繁且應用范圍相對廣泛，其主要功能是實現對交流異步電機的軟啟動、變頻調速、過載保護、過流保護等。變頻調速原理如式（1）所示：

式中：n為輸送機電機的轉速，f為輸送機電機的頻率，s為輸送機電機的轉差率，p為輸送機電機的極數。由式（1）可知，通過調整電機的頻率實現對電機轉速的調節，進而實現了對輸送機帶速的調節。

經研究可知，帶式輸送機運量和帶速是影響輸送機功率的主要因素。在實際生產中帶式輸送機帶速并不能夠根據其實時運量進行調節以達到最節能的效果。為此，設計如式（2）所示的節能策略。

在實際情況中帶式輸送機不可能頻繁啟停，因此設定當其運量為0時，帶式輸送機以最小的速度運行。可得如圖3所示的運量與運速之間的關系曲線。

圖3 帶式輸送機運量與運速的關系曲線

綜上所述，基于上述運速與運量相匹配的思想實現對帶式輸送機的節能改造，不僅能夠提升帶式輸送機輸送效率，還能夠降低帶式輸送機的能耗。

4 結語

基于耦合補償策略可實時監測各電機的運行狀況并對電機的運行功率進行調整；基于變頻調速策略系統可根據輸送帶的實時運量對其帶速進行及時調整，確保帶速與運量的相匹配，避免能量的浪費。