帶式輸送機多電機驅動節能控制功能的實現

朱小軍

（西山煤電（集團）有限公司西曲礦， 山西 古交 030200）

引言

帶式輸送機為煤礦運輸的主要設備，隨著綜采工作面采煤工藝及采煤設備自動化水平的不斷提升，帶式輸送機朝著長距離、高運速以及低能耗的方向發展。為了滿足工作面大運量的需求，目前主要以多電機完成對帶式輸送機的驅動控制[1]。多電機驅動的帶式輸送機容易產生功率不平衡和能耗增加的問題。因此應在實現多電機帶式輸送功率平衡控制的基礎上實現對設備的節能控制。

1 多電機帶式輸送機存在的問題及解決方法

對于多電機帶式輸送機而言，實現設備的平穩啟動、保證實際運行過程中功率平衡以及保證設備能夠滿足煤礦運量要求為其驅動要求。從總體上來講，解決多電機帶式輸送機的啟動問題是保證其基本驅動功能的關鍵，一般的多電機帶式輸送機在啟動過程中常存在如下問題：

1）帶式輸送機張緊力控制不均勻導致在啟動階段拉斷輸送帶；

2）在負載或者重載情況下啟動由于驅動滾筒與輸送帶之間的速度不一致，導致輸送帶出現打滑現象，嚴重情況下會導致輸送帶著火；

3）每個驅動電機的功率不一致，導致電機驅動軸轉速不同，從而導致切軸現象的出現[2]。

本文所研究多電機帶式輸送機的參數如表1所示。

帶式輸送機在實際運輸煤炭、物料過程中導致其能耗過大的原因主要可以歸結為兩點：其一，由于設備長時間處于輕載運行狀態，即設備運行效率降低；其二，設備驅動電機本身效率降低，從而導致電能損失較多，進而造成損耗嚴重。因此，可從上述兩個方面解決多電機帶式輸送機耗能嚴重的問題，即從設備和控制兩個層面。其中，針對設備層面主要是保證運輸系統與和設備的匹配程度，降低設備的運行阻力，從而降低設備運行能耗。針對控制層面可通過如下節能技術實現：

表1 多電機帶式輸送機相關參數統計

1）在系統層面為其配置超越離合器，根據工況需求增減運行電機的數量；

2）采用逆序啟動方式解決后續皮帶的空轉損耗，此方法僅適用于設備的啟動階段，其節能效果有限；

3）采用星-三角節法電機實現節能降耗，此方法雖然節能效果顯著，但是其僅適用于短距離、小功率的設備；

4）采用變頻調速技術實現節能降耗功能，該方法不僅效率高、調速范圍廣，而且具有良好的軟啟動和軟停機性能[3]。

2 節能驅動系統設計

2.1 節能驅動系統的總體設計

變頻調速技術的核心在于基于PLC 控制器通過變頻器實現對設備電機轉速（頻率）的時控制。本文所研究多電機帶式輸送機電機的布置方式為機頭布置，且具體布置比例為2:1，對應的多電機帶式輸送機變頻調速節能控制系統的總體結構如下頁圖1 所示。

為實現節能驅動系統控制的實時性和直觀性，通過通信數據傳輸線將其PLC 采集的帶式輸送機的實時運行狀態上傳至上位機并實時顯示。

圖1 多電機帶式輸送機節能驅動系統的總體結構示意圖

2.2 變頻器的選型

根據變頻器頻率控制原理的不同可分為交直交變頻器和交交變頻器。其中，交交變頻器由于其可控制頻率范圍較窄導致其不常被應用；而交直交變頻器對應可調頻率范圍較寬，且可實現平滑無極調速的功能。因此，本方案選擇交直交變頻器。

鑒于多電機帶式輸送機對應的負載類型一般為恒轉矩，對變頻調速系統的要求較高，即對變頻器的性能要求較高[4]。綜合交直交變頻器各種控制方式的設備，最終確定選擇矢量控制方式的變頻器，其對應的配置情況如圖2 所示。

圖2 矢量控制變頻器結構配置示意圖

如圖2 所示，所選矢量控制變頻器的核心為SIMOVERT MV 電機，該電機具有啟動電流小、力矩大以及啟動時間可控制等特點，可減少系統內部機械磨損，為降低系統的損耗奠定基礎。根據多電機帶式輸送機驅動電機對應電機的額定電壓為2.3 kV，額定功率為1 000 kW，對應選擇變頻器的輸出電壓也需與2.3 kV 相匹配，綜合分析最終選型變頻器的具體型號為6SE8014-1AA01，其對應的具體參數如表2 所示。

2.3 其他器件的選型

多電機帶式輸送機驅動系統除了核心變頻器外，另一核心器件為PLC 控制器。PLC 控制器的選型需根據節能驅動控制系統對應的輸出、輸入數量進行綜合統計后確定。針對多電機帶式輸送機的節能驅動系統而言，除了其關鍵的節能控制功能外，還需具備帶式輸送機控制系統的一般功能包括有對煤位、煙霧、拉緊、溫度等實時運行參數的監測，還需對拉緊裝置、灑水裝置等進行控制。綜合統計得出節能驅動控制系統輸入、輸出量的統計如表3 所示：

表2 6SE8014-1AA01 變頻器參數

表3 節能驅動控制系統開關量與模擬量統計

根據如表3 所示節能驅動控制系統需控制開關量和模擬量的統計，綜合當前應用于工業中可靠性較高的PLC 控制器類型，最終選擇采用西門子系列的S7-300PLC 控制器。結合表3 中開關量和模擬量的統計結果，為S7-300PLC 控制器配置對應開關量輸入模塊的類型為SM331（8 位），數量為兩個；對應模擬量輸入模塊的類型為SM321（8 位），數量為一個；對應開關輸出模塊的類型為SM323（8 位），數量為一個。

變頻調速系統控制的核心根據輸送帶的運量通過變頻器對輸送帶的速度進行實時控制。

3 節能效果驗證

針對某煤礦煤炭的運輸量按照1 300 萬t 核算[5]，由上頁表1 可知其在滿載運行狀態對應的運量為4 000 t/h，帶式輸送機的帶速可在1～5.5 m/s 運行。在傳統驅動控制系統下，該礦三電機帶式輸送機滿載運行時間為總共工作時長的60%，在非滿載運行的時間占總工作時長的40%。

經計算可得：該礦在滿載運行狀態下的時長為1 300 萬 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h；在非滿載運行狀態（輸送帶運行速度按照2 000 t/h 計算）下的時長為1 300 萬t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。當設備在滿載運行狀態下對應三電機的總功率為551 kW，則在滿載狀態下所消耗的電能約為551 kW×1 950 h=1 074 450 kWh；當設備在非滿載運行狀態下對應三電機的平均總功率為374 kW，則在滿載狀態下所消耗的電能約為：374 kW×2 600 h=972 400 kWh。則可得出，在傳統驅動控制系統下所消耗的總電能為1 074 450 kWh+972 400 kWh=2 046 850 kWh。

當采用節能驅動控制系統后，針對在非滿載運行工況下其對應輸送帶的速度較滿載狀態下減半，此時對應三電機所消耗的總功率為246 kWh。則，可得出在節能驅動控制系統下可節約電能為（374-246）×2 600=332 800 kWh。

4 結論

1）基于變頻器和PLC 控制器實現對多電機帶式輸送機的節能控制，其中所選型變頻器的具體型號為 6SE8014-1AA01，PLC 控制器的具體系列為S7-300。

2）實踐表明，采用基于變頻調速控制技術后的多電機帶式輸送機每年運輸1 300 萬t 煤炭可節約電量約為332 800 kWh。