帶式輸送機變頻調速技術的分析與應用

李玉寧

（山西晉神能源有限公司安監部， 山西 河曲 036500）

引言

帶式輸送機作為連續運料機械，具有運量大、可連續運輸、運距長、適合各種坡度等優點，目前，絕大多數高產高效礦井都利用帶式輸送機作為主要的運輸裝備[1-2]。帶式輸送機由兩個端點滾筒和緊套在其上的閉合輸送帶組成。傳統帶式輸送機驅動電機功率是恒定的，所以往往會超過實際需要，增加電力消耗，且在啟動和停止時，強大的沖擊力也容易造成皮帶的損壞，山西晉神沙坪煤業曾采用液力耦合裝置[3-4]進行軟啟動，但其功耗往往較大，為了解決這一問題，引入變頻調速技術對其進行改進。

1 帶式輸送機變頻調速技術原理

變頻調速技術原理是驅動電機轉速與輸入工頻成正比：

式中：n為轉速，r/s；f為輸入頻率，Hz；s為電機轉差率，%、p為電機磁極對數，個。

通過調整電動機輸入工作電源頻率改變電機轉速。變頻器可以按照荷載對帶式輸送機運行速度進行控制，提高運輸系統的適用性和工作效率[5]。

帶式輸送機的變頻系統包括變頻器、控制設備、傳感器、電源控制模塊等部分。傳感器安裝在帶式輸送機電動機處，用于采集設備工作狀態，由控制設備對其信號加以處理，再發出控制指令使設備做出反應，各部件共同協作完成自動控制任務。控制設備和電源控制模塊是自動控制系統的控制元件。操作人員可以按照人機界面顯示的關鍵運行參數，在控制按鍵上進行操作，實現帶式輸送機變頻調速系統的精確操控。

帶式輸送機變頻調速技術的核心是變頻器。在變頻調速過程中，首先利用變頻器內的整流電路將輸入的工頻交流電轉換為直流電，然后再通過直流中間電路對直流電進行控制后，經過逆變電路改變頻率轉換為可調交流電，基于這種“交-直-交”變頻變壓轉換原理，調節輸送機輸入電能，將可調交流電送入帶式輸送機電動機中，完成頻率控制，變頻器原理如圖1所示。

圖1 變頻器原理圖

在變頻過程中，控制電路通過邏輯器件對傳感器所采集數據（模擬信號）進行預處理，然后傳送至單片機進行分析，并對帶式輸送機的運行狀況進行判斷，同時根據數據情況預測帶式輸送機有可能存在或出現的隱患。如果檢測到輸送機沒有負載，則控制電路控制運輸機減速并停止運行；當檢測到皮帶開始運輸物料后，運速提升，并根據實際負載大小提供最佳運轉速度，從而達到提升運載效率、減少設備損耗和降低功耗的目標。當運輸機發生特殊狀態，控制系統無法解決時，系統會發出報警信號并停止輸送機運轉，并將信息以可視的形式發送給操作人員，以便對運輸機進行檢修。

2 帶式輸送機實時調速控制的分析

通過“交-直-交”變頻系統轉換，帶式輸送機變頻器可以根據檢測到的荷載大小調整輸送機運行速度，當輸送帶荷載較小情況下，放慢輸送帶運行速度，而當輸送帶荷載較大時，加快輸送帶的運行速度。通過這種以負載為導向的速度調節方式，可以有效提高煤炭的運輸效率，并減小輸送帶的磨損。輸送帶變頻調速控制圖見下頁圖2，Y和N分別表示滿足和不滿足條件情況。在帶式輸送機通過變頻系統改裝后，按照煤炭開采量進行實時速度調節和隱患報警。

圖2 輸送帶變頻調速控制圖

3 應用情況

沙坪煤業18204工作面運輸巷帶式輸送機利用2臺功率為1 600 kW的驅動電機帶動，2臺電機均安裝在皮帶機頭位置。在改造之前，輸送機采用軟啟動方式，但在生產過程中經常出現輸送帶磨損情況，投入成本較高。該礦井帶式輸送機參數如表1所示，驅動電機參數如表2所示。

表1 帶式輸送機參數

表2 驅動電機參數

為了解決皮帶磨損問題，對帶式輸送機進行了高壓變頻器改造，利用兩級控制模式，實現輸送機實時變頻調速。

兩級控制結構見圖3。其中1臺電機起主控制作用，而另1臺受變頻器控制，2臺電機始終保持同步運轉。為了確保對2臺電機的運轉速度進行精準控制，利用速度傳感器對電機進行監控，將轉速誤差控制在0.8%以內。采用兩級控制系統既可以對遠程控制命令進行收集，也能順利執行自身指令。通過加裝變頻器后，大大提高了運輸系統自動化水平，同時還減少了能源消耗。在3個月的試用期間內，輸送帶維護量明顯減少，磨損程度顯著下降。

沙坪煤業18204工作面帶式輸送機沒有進行變頻調速改造之前日耗電約29 000 kW·h，對其進行變頻調速改裝之后，日耗電量降至約20 000 kW·h，約節省功耗31%左右。按照0.67元/（kW·h）的電價進行計算，該輸送機可節約電費6 030元/d，年節約資金220萬元。輸送機通過變頻系統控制后，在啟動和運行的過程中更加平穩，輸送帶磨損顯著下降，提高了輸送帶的使用壽命，較少了維護費用。

圖3 兩級控制結構示意圖

4 結語

帶式輸送機是礦井最重要的運輸設備之一，對礦井高產高效生產具有重要意義。通過對沙坪煤業18204工作面皮帶輸送機在生產過程中產生的問題進行分析，對帶式輸送機進行變頻調速系統改造。利用兩級控制模式對2臺電動機進行“交-直-交”變頻改造后，輸送機可以根據實際荷載對運行速度進行調整，并實現自動隱患報警。實踐證明，變頻調速系統的使用提高了礦井運輸系統的自動化水平，實現了帶式輸送機運行的精確控制，同時節省了電能消耗并較少皮帶磨損，具有較高的經濟效益。