變頻調(diào)速節(jié)能控制技術(shù)在帶式輸送機(jī)上的應(yīng)用

宋 濤

（西山煤電集團(tuán)西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦常用的運(yùn)輸機(jī)電設(shè)備，一般的帶式輸送機(jī)采用人工控制，操作人員根據(jù)實際煤量來控制其轉(zhuǎn)速。采用PLC 控制的變頻器驅(qū)動帶式輸送機(jī)不僅能夠減少人工操作，實現(xiàn)煤礦自動化，而且可為企業(yè)節(jié)省可觀電費(fèi)，更有利于煤炭企業(yè)的安全運(yùn)行，是帶式輸送機(jī)技術(shù)改造的發(fā)展方向。

1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)

控制對象參數(shù)檢測單元，主要指帶速傳感器和煤量傳感器（皮帶秤），帶速傳感器將皮帶速度轉(zhuǎn)換為電流信號，煤量傳感器將煤量轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后輸入給PLC 節(jié)能控制裝置；控制單元，PLC 節(jié)能控制裝置主要指的是PLC 控制器，PLC 控制器接收到帶速傳感器和煤量傳感器傳回的速度和煤量信息后，經(jīng)過程序處理，實現(xiàn)輸送帶帶速控制，根據(jù)預(yù)定的控制算法，煤量多時輸送帶加速，煤量少時輸送帶減速，除此之外還能實現(xiàn)電機(jī)啟動、剎車和功率平衡等功能；執(zhí)行單元，主要指變頻調(diào)速驅(qū)動裝置和帶式輸送機(jī)，變頻調(diào)速驅(qū)動裝置就是變頻器，變頻器接收PLC 的控制信號，改變其輸出電壓的頻率，拖動帶式輸送機(jī)運(yùn)行的電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之改變。圖1 是系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)示意圖[1-2]。

在以上控制硬件的基礎(chǔ)上，帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計的功能有：皮帶機(jī)操作人員可在現(xiàn)場直接設(shè)定變頻器的頻率，即直接給定皮帶輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之保持勻速運(yùn)行，這是帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)的基本功能；操作人員可通過PLC 控制器對變頻器實現(xiàn)控制，實現(xiàn)自動控制；PLC 控制器能夠與調(diào)度上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)上位機(jī)控制；操作人員可通過登錄網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲得操作權(quán)限，實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)通信控制。

圖1 帶式輸送機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 PLC 節(jié)能控制裝置

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的工作流程：通過檢測環(huán)節(jié)反饋的信號，各子程序進(jìn)行相應(yīng)處理，得到指定的輸出結(jié)果，通過對控制目標(biāo)的分析，分配各輸入輸出模塊的連接方式，形成完整的控制邏輯。根據(jù)PLC 的預(yù)期功能，除主程序外還應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)啟動預(yù)警、速度與煤量測量、各牽引電機(jī)功率平衡、變頻調(diào)速、剎車與急停、電氣閉鎖及各項保護(hù)功能等。PLC 控制程序中，啟動預(yù)警子程序、速度與煤量測量子程序、功率平衡子程序和變頻調(diào)速子程序為核心控制程序。

2.1 主程序

主程序開始后，首先執(zhí)行啟動預(yù)警子程序，然后檢測各項保護(hù)功能是否正常，如果保護(hù)功能出現(xiàn)異常則向系統(tǒng)發(fā)出報警，如果檢測到保護(hù)功能正常則判斷為啟動完成。經(jīng)過短暫延時程序，進(jìn)入輸送帶轉(zhuǎn)速和煤量檢測子程序，根據(jù)輸送帶轉(zhuǎn)速和煤量子程序返回的信息，判斷當(dāng)前輸送帶的轉(zhuǎn)速是否滿足調(diào)速要求，如果判斷結(jié)果為滿足調(diào)速要求則進(jìn)入調(diào)速運(yùn)算子程序，如果不滿足調(diào)速要求則輸送帶按照額定速度運(yùn)行，跳過調(diào)速運(yùn)算和調(diào)速運(yùn)行子程序[3-4]。PLC 主程序圖如下頁圖2 所示。

2.2 啟動預(yù)警子程序

PLC 控制器根據(jù)開車運(yùn)行指令，對變頻器發(fā)出啟動控制命令，電機(jī)按照預(yù)定啟動曲線啟動，電機(jī)啟動前的預(yù)警項目包括保護(hù)自檢、制動閘是否松閘、油泵自檢、原油自檢、風(fēng)扇自檢、張力自檢，若上述自檢項目均按順序完成，則啟動預(yù)警子程序執(zhí)行完畢，開始啟動變頻器。

圖2 PLC 主程序

2.3 測量子程序

測量子程序主要完成輸送帶轉(zhuǎn)速測量和煤量多少測量，程序開始后，接收帶速和運(yùn)量的檢測信號，經(jīng)過PLC 邏輯運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果與設(shè)定的智慧數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比，如果滿足調(diào)速需求則輸出調(diào)速信號，如果不滿足調(diào)速需求則返回循環(huán)。

2.4 功率平衡子程序

為了使多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)功率平衡，設(shè)計了功率平衡子程序，按照每個電機(jī)的預(yù)定功率，采集各電機(jī)的電流，算出電機(jī)的實際運(yùn)行功率，若實際運(yùn)行功率大于額定功率，則減小變頻器輸出電壓的頻率，進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，功率下降，反之則增大變頻器輸出電壓的頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升則功率上升。控制的目的是使系統(tǒng)中各電機(jī)均運(yùn)行在額定功率附近，避免某個電機(jī)欠負(fù)荷或過負(fù)荷，損傷電機(jī)及其傳動機(jī)械部分。

2.5 調(diào)速子程序

根據(jù)輸送帶速度傳感器和煤量傳感器傳回的速度與煤量信號，比較二者是否匹配，對于當(dāng)前煤量，若輸送帶速度過大或過小，則相應(yīng)減小或增大變頻器的輸出頻率，以此增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)輸送帶傳動速度與當(dāng)前煤量多少相匹配，避免在煤量小的時候電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，浪費(fèi)電能，在煤量大的時候電機(jī)過慢影響運(yùn)輸通道的暢通性。

3 變頻調(diào)速裝置

變頻器指的是輸出電壓和頻率可變的電能轉(zhuǎn)換裝置，一般用于電機(jī)調(diào)速。按照直流側(cè)是電壓不變還是電流不變進(jìn)行分類，可將變頻器分為電壓型變頻器和電流型變頻器，一般使用電壓型變頻器較多，變頻器原理圖如圖3 所示。按照中間有無直流儲能環(huán)節(jié)，變頻器的類型可分為交- 直- 交型變頻器和交- 交型變頻器[5-6]。

圖3 變頻器原理圖

帶式輸送機(jī)的牽引電機(jī)為交流三相異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s 為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；f 為電機(jī)供電電源的頻率；p 為電機(jī)極對數(shù)。因此要想改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而實現(xiàn)輸送帶速度變化，改變供電電源的頻率是常用的方法。供電電源頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，在電機(jī)的結(jié)構(gòu)確定以后，轉(zhuǎn)差率和極對數(shù)也就確定，因此提高供電電源頻率則電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，反之降低供電電源頻率則電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

本系統(tǒng)采用東芝三菱公司的多電平無諧波變頻器MVG-2000/10/6k，一條帶式輸送機(jī)由三臺電機(jī)拖動，因此搭配三臺變頻器使用，每臺變頻器拖動一臺電機(jī)。為保證三臺電機(jī)與皮帶機(jī)之間不打滑，且各電機(jī)均在額定功率范圍內(nèi)運(yùn)行，三臺電機(jī)的控制要求為速度同步，功率平衡。因此，每臺電機(jī)的變頻器不能單獨(dú)控制，是一個相互關(guān)聯(lián)的整體。我們采用主從控制來實現(xiàn)三臺變頻器的控制，選用一臺變頻器的控制器作為主控制器，通過其他兩臺變頻器的通信，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)矩平衡。

變頻調(diào)速裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：基本控制功能。包括多種工作模式切換，檢修模式中手動操作；通過煤量傳感器返回的煤量信息，能夠為給煤機(jī)提供控制數(shù)據(jù)。輸送帶張力調(diào)節(jié)功能，急停閉鎖等各項保護(hù)功能。煤量檢測與調(diào)速功能。電動機(jī)的速度調(diào)節(jié)分為變頻器分級給定與PLC 無級調(diào)速給定；故障自檢功能。變頻器控制器能夠檢測出常見故障，包括欠壓、過壓、過載、短路和接地等故障；監(jiān)控與通信功能[7]。

4 結(jié)論

1）相比于傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)調(diào)速方法，通過PLC控制的變頻器驅(qū)動牽引電機(jī)能夠在帶式輸送機(jī)速度可調(diào)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)小煤量低速工作，大煤量高速工作。

2）變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可提高帶式輸送機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的自動化水平，降低企業(yè)運(yùn)行成本。