煤礦用帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)改造及其效果

石元鐸

（山西陽泉煤業(yè)壽陽開元公司，山西 陽泉 045000）

引言

帶式輸送機(jī)是煤礦開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和效率對(duì)煤礦開采效率有決定性影響[1]。隨著煤礦開采技術(shù)水平的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)技術(shù)已經(jīng)不符合現(xiàn)代化發(fā)展需要，嚴(yán)重制約著煤礦開采效率的進(jìn)一步提升[2]。基于此，煤礦企業(yè)有必要采取措施對(duì)礦用帶式輸送機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，更替?zhèn)鹘y(tǒng)的技術(shù)，使用新技術(shù)以提升帶式輸送機(jī)的技術(shù)水平[3-4]，從而提升煤礦開采效率，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 帶式輸送機(jī)運(yùn)行中存在的問題分析

某煤礦企業(yè)每年需要生產(chǎn)1 000 萬t 煤礦，如此大量的煤礦主要通過帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。煤礦中使用的帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ140/350/2×500，工作過程中需要同時(shí)使用兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且兩臺(tái)電機(jī)全部安裝在輸送機(jī)的頭部位置。為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，并避免設(shè)備啟動(dòng)階段產(chǎn)生過大的電流問題，輸送機(jī)中使用了液力耦合器進(jìn)行保護(hù)。該項(xiàng)技術(shù)以往確實(shí)為煤礦企業(yè)帶來了很多優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是放眼現(xiàn)在，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)落后，在實(shí)踐中暴露的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，液力耦合器在啟動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生非常大的電流，其大小為正常運(yùn)行時(shí)的4～5 倍，大電流不僅會(huì)對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p傷，同時(shí)還會(huì)影響整個(gè)煤礦供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行；第二，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間較短，會(huì)對(duì)皮帶造成較大沖擊，容易使皮帶出現(xiàn)損傷，降低使用壽命；第三，帶式輸送機(jī)同時(shí)由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)之間的功率平衡問題無法得到有效解決；第四，液力耦合器運(yùn)行時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染問題，不符合當(dāng)代環(huán)境保護(hù)基本要求。基于以上缺陷，煤礦企業(yè)經(jīng)過技術(shù)論證，決定基于先進(jìn)的變頻調(diào)速控制技術(shù)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。

2 帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)改造整體方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

由于煤礦中使用的帶式輸送機(jī)同時(shí)由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保障兩臺(tái)電機(jī)之間的功率平衡是技術(shù)改造過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。在充分考慮以上實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，最終使用的是主—從控制方式。對(duì)兩臺(tái)電機(jī)各自配備一臺(tái)變頻器。其中一臺(tái)作為主變頻器，另外一臺(tái)作為從變頻器。主變頻器受控制系統(tǒng)控制，根據(jù)帶式輸送機(jī)的實(shí)際需要輸出對(duì)應(yīng)的電壓頻率，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足實(shí)際需要。從變頻器同樣接受控制系統(tǒng)控制，但其輸出的電壓頻率主要依據(jù)主變頻器。通過這種方式保障兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速完全一致，達(dá)到功率平衡的效果。如圖1 所示為基于變頻調(diào)速控制技術(shù)的帶式輸送機(jī)技術(shù)改造方案。

圖1 基于變頻調(diào)速控制技術(shù)的帶式輸送機(jī)技術(shù)改造方案

系統(tǒng)還配備有帶速傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，主要是對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中的速度進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果輸送至變頻控制器中進(jìn)行分析與處理，作為電機(jī)速度調(diào)整的依據(jù)。為了保障變頻控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)中還設(shè)置了系統(tǒng)檢測(cè)模塊，作用是對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)自身進(jìn)行檢測(cè)。從而及早發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。還設(shè)置有顯示器和操作臺(tái)，其中顯示器的作用是對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行監(jiān)控，工作人員可通過操作臺(tái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)人工控制。

2.2 方案的優(yōu)勢(shì)分析

通過使用先進(jìn)的變頻調(diào)速控制技術(shù)，能夠很好地解決傳統(tǒng)液力耦合技術(shù)在實(shí)踐中存在的問題，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，利用變頻調(diào)速控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)，設(shè)備的啟動(dòng)過程可以根據(jù)需要自行設(shè)定，有效避免了啟動(dòng)階段造成的電流過大問題，對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；第二，由于實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，所以整個(gè)啟動(dòng)過程不會(huì)對(duì)設(shè)備造成很大沖擊，皮帶啟動(dòng)時(shí)的受力顯著降低，提升了皮帶的使用壽命；第三，采用主—從控制方式，可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步控制，確保電機(jī)功率平衡；第四，變頻技術(shù)的使用不會(huì)造成環(huán)境污染問題。

3 技術(shù)改造方案主要硬件設(shè)施介紹

帶式輸送機(jī)技術(shù)改造方案中應(yīng)用的硬件設(shè)施較多，以下主要對(duì)變頻器及其控制器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 變頻器的選型

本文所述帶式輸送機(jī)有兩臺(tái)電機(jī)，需要配備兩臺(tái)變頻器。結(jié)合實(shí)際情況最終選用的是MWG-2000/10/6k 型礦用防爆變頻器，由東芝三菱公司研制生產(chǎn)。該型號(hào)變頻器在使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波，即運(yùn)行時(shí)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，所以在煤礦領(lǐng)域已經(jīng)有了很多的應(yīng)用，且取得了很好的應(yīng)用效果。變頻器的輸入電壓及頻率分別為10 kV 和50 Hz。輸出的電壓為6 kV，但其輸出電壓頻率可以在0～120 Hz范圍內(nèi)變化。可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)較大范圍轉(zhuǎn)速的控制，且控制精度可以控制在0.1%范圍內(nèi)。另外，可以將兩臺(tái)電機(jī)的功率不平衡度控制在2%范圍內(nèi)。

3.2 控制器的選型

控制器為技術(shù)改造方案的核心內(nèi)容，其作用主要是對(duì)變頻器進(jìn)行控制。本研究中選用的控制器型號(hào)為S7-300 型PLC 控制器。為了保障控制器的穩(wěn)定運(yùn)行，采用的是冗余CPU 設(shè)置，即配置了兩個(gè)CPU，任何一個(gè)能夠正常運(yùn)行就可以保證控制系統(tǒng)的正常工作。另外，控制器同時(shí)包含有數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入模塊，意味著傳感器檢測(cè)到的模擬量信號(hào)可以直接輸入控制器中進(jìn)行處理，無需經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

4 帶式輸送機(jī)技術(shù)改造實(shí)踐應(yīng)用效果分析

將本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)技術(shù)改造方案應(yīng)用到某煤礦工程實(shí)踐中，對(duì)原有的液力耦合控制模式進(jìn)行技術(shù)改造，結(jié)果發(fā)現(xiàn)取得了很好的應(yīng)用效果。第一，帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，有效規(guī)避了啟動(dòng)過程對(duì)設(shè)備造成的沖擊，降低了設(shè)備的故障率，尤其是皮帶的損傷率，從而顯著縮短了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間，工作人員的工作量也顯著減小，降低了企業(yè)的人力成本和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本；第二，提升了設(shè)備的自動(dòng)化程度，帶式輸送機(jī)運(yùn)行過程中可以根據(jù)實(shí)際使用需要對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，可以節(jié)省大量的電力能源消耗，根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)計(jì)算，通過使用變頻調(diào)速控制技術(shù)每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省55 萬元左右的電能消耗；第三，規(guī)避了環(huán)境污染問題，營(yíng)造了更好的工作環(huán)境，社會(huì)效益顯著。綜上所述，通過在煤礦用帶式輸送機(jī)中使用變頻調(diào)速控制技術(shù)，能夠?yàn)槊旱V企業(yè)創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。