不同工況下帶式輸送機變頻驅動系統的性能研究

楊登川

（山西長治郊區三元南耀吉安煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

帶式輸送機為綜采工作面的關鍵運輸設備，其與工作面采煤機、刮板輸送機相匹配。隨著采煤機截割能力的不斷提升，對帶式輸送機的運輸能力提出了更高的要求，可通過提升輸送機的帶速和帶寬提升其運輸能力。但是，鑒于帶式輸送機使用巷道空間狹小，只能通過提升輸送機帶速來達到提升其運輸能力的目的。與此同時，帶式輸送機在啟動過程中由于力矩過大、啟動電流過大導致設備出現跳閘、磨損嚴重等問題[1]。在上述背景下，實現帶式輸送機的變頻驅動勢在必行。

1 帶式輸送機變頻驅動需求及功能分析

1.1 帶式輸送機變頻驅動需求分析

目前，帶式輸送機將朝著大運量、長距離以及高運速的方向發展，尤其是對其驅動系統的性能要求越來越高。與此同時，帶式輸送機必須具備對輸送帶縱向撕裂、打滑、跑偏等故障的保護。本文所研究帶式輸送機主要技術參數如表1所示。

表1 帶式輸送機主要技術參數一覽表

經現場勘測，帶式輸送機所應用工作面的傾角為0.47°，工作面的粉塵濃度大且濕度較大。為滿足帶式輸送機在各種工況下的啟動性能要求，其驅動系統具備常規啟動性能并重點解決如下兩點問題：

1）重點降低帶式輸送機的啟動加速度，并延長設備的啟動時間；

2）重點解決該帶式輸送機多電機驅動下功率不平衡問題。

1.2 帶式輸送機變頻驅動系統功能分析

目前，可應用于帶式輸送機驅動系統的方式包括有調速液力耦合器驅動系統、BOSS驅動系統、電軟啟動控制器、CST驅動控制系統以及變頻驅動控制系統。經對比可知：調速型液力耦合器控制精度低；BOSS驅動系統無法實現無級調速，且對應的傳動效率較低，運行成本高；電軟啟動控制器存在功率損耗大、效率低的問題；CST驅動控制系統雖然啟動平穩，傳動效率高，但是其對應的體積龐大，與工作面狹小空間不匹配，且后期運維成本加高[2]。

變頻驅動控制系統不僅可實現多電機之間的功率分配，且對應的控制精度較高，整個控制過程的波動較小。因此，采用變頻驅動系統實現對帶式輸送機的啟停控制為最佳選擇。

2 帶式輸送機變頻驅動系統的設計

考慮到帶式輸送機的功率大且應用環境惡劣，結合《煤礦安全規程》的相關要求和防爆型要求，將變頻器的控制柜安裝于地面。本方案所選型變頻器的具體型號為ACS 1000。為減小帶式輸送機電機的輸出轉矩的脈動，本方案選用直接轉矩控制方式。除此之外，變頻驅動系統還包括有主回路斷路器、隔離變壓器以及電動機等關鍵設備[3]。

2.1 主回路斷路器的選型

主回路斷路器主要功能是承擔變壓器的沖擊電流，保證系統長時間過載狀態下仍可安全運行。本方案所選型主回路斷路器的具體型號為VD4 12 1250，其對應的關鍵參數如下頁表2所示。

表2 VD4 12 1250主回路短路器關鍵參數

2.2 隔離變壓器的選型

ACS 1000變頻器需要通過隔離變壓器為其供電才能夠運行并將線路中的電網側諧波控制在標準范圍之內。本方案所選型隔離變壓器的具體型號為ZBS-M-2000，其對應的關鍵參數如下頁表3所示。

表3 ZBS-M-2000隔離變壓器關鍵參數

3 變頻驅動系統的性能試驗研究

為驗證變頻驅動系統能夠適應于工業中帶式輸送機的應用需求，本文將通過試驗方式對不同工況下帶式輸送機的啟停控制性能進行研究，所設計的試驗方案如下：

1）對帶式輸送機在空載啟動階段各個驅動滾筒轉矩、速度的變化情況，分析其是否滿足系統軟啟動加速時的相關要求；

2）對帶式輸送機在正常停機和緊急制動時各個驅動滾筒轉矩與速度的變化情況；

通過對上述兩種工況下帶式輸送機驅動滾筒轉矩與速度變化趨勢的研究，分析變頻驅動系統能否滿足工業帶式輸送機的平穩控制要求[4]。

3.1 空載啟動階段的性能試驗

帶式輸送機在空載啟動過程總共分為四個階段，包括有預張緊階段、加速過渡階段、加速階段以及穩定運行階段。設定帶式輸送機穩定運行的速度V0，預張緊階段速度由0增大至10%V0；加速過渡階段為速度按照10%V0運行；加速階段速度由10%V0增大至V0；穩定運行階段速度以V0運行。經試驗得出如下結論：

1）在預張緊階段，帶式輸送機驅動滾筒的力矩在50 s的時間內緩慢增大至其最大力矩的18%，在此階段不會對系統造成沖擊；對應驅動滾筒的速度變化按照“S”曲線增加，并且加速度呈現先增加后降低為0的變化趨勢；

2）在加速過渡階段，帶式輸送機驅動滾筒的驅動力矩為最大力矩的18%，驅動速度按照10%V0穩定運行；

3）在加速階段，帶式輸送機驅動滾筒驅動力矩最大力矩的18%開始緩慢增大至30%后又逐漸下降，并最終穩定于20%，整個變化趨勢符合“S”曲線。

4）在穩定運行階段，驅動滾筒的力矩穩定于最大轉矩的22%左右，驅動速度也穩定于100%V0。

此外，整個控制階段帶式輸送機三個驅動滾筒的變化曲線一致，說明三電機功率平衡。

3.2 正常停車過程的性能試驗

正常停車分為帶式輸送機停車初始階段、變頻停車階段以及慣性停車三個階段。其中，停車初始階段帶式輸送機驅動滾筒的轉矩從20%最大轉矩值開始減小，速度從V0開始減小；變頻停車階段為設備轉矩在制動10 s后降為0，但是速度降為55%V0；慣性停車階段為驅動滾筒轉矩已經為0，速度從55%V0將為0，整個過程耗時30 s。經試驗得出如下結論：

1）帶式輸送機在10 s的變頻制停車段，驅動滾筒的力矩減小為0，驅動速度由V0降至55%V0。

2）帶式輸送機在慣性制動階段，整個階段驅動滾筒力矩為0，在其自身阻力情況下減速停車。

總之，在正常停車階段帶式輸送機兩個驅動滾筒力矩能夠按照相同的曲線降為0，具有同步性好、控制精度高的特點，且整個控制過程平穩[5]。

4 結語

帶式輸送機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，目前主要特征為大運量、長距離、高運速。為保證帶式輸送機驅動系統滿足實際運輸各種工況的要求，匹配綜采工作面的運輸能力，選用變頻驅動系統對帶式輸送機進行啟停控制。經試驗表明，變頻驅動控制系統可實現對帶式輸送機空載啟動、正常停車的平穩控制，且對多電機具有較好的功率平衡貢獻。