刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案研究

史春鵬

（西山機(jī)電廠， 山西 太原 030053）

引言

刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，負(fù)責(zé)將采煤機(jī)截割下的原煤煤料轉(zhuǎn)運(yùn)至大巷皮帶機(jī)，與采煤機(jī)、液壓支架協(xié)同完成綜采任務(wù)。目前，綜采工作面刮板輸送機(jī)供電電壓可達(dá)3 300 V，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率可達(dá)2 000 kW。當(dāng)刮板輸送機(jī)重載或者工況突變啟動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案的啟動(dòng)電流較大，極易對(duì)機(jī)械部件產(chǎn)生電流沖擊，影響鏈條、鏈輪、托輥的使用壽命。目前綜采工作面刮板輸送機(jī)控制系統(tǒng)存在的主要問題[1-2]如下：雙速或者液力耦合驅(qū)動(dòng)模式易造成啟動(dòng)電流大、啟動(dòng)速度快、對(duì)鏈條/鏈輪等機(jī)械部件磨損嚴(yán)重等問題，降低使用壽命；恒速運(yùn)行模式易造成空載或者輕載現(xiàn)象，嚴(yán)重浪費(fèi)電能；鏈條一直處于張緊狀態(tài)，卡鏈、斷鏈現(xiàn)象嚴(yán)重；沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的有效監(jiān)控及保護(hù)。

針對(duì)上述問題，學(xué)者及專家展開一系列的研究，如文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了智能高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)速、節(jié)能運(yùn)行，并在陳四樓煤礦完成工業(yè)試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種智能化刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，利用激光檢測和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的智能化采集、故障預(yù)測及在線智能調(diào)速功能，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，該方案運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文基于變頻控制技術(shù)，設(shè)計(jì)智能化刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，解決啟動(dòng)電流大、調(diào)速困難、電能浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，機(jī)頭驅(qū)動(dòng)部由電機(jī)1 及電機(jī)2 組成，并由變頻器1 驅(qū)動(dòng)；機(jī)尾驅(qū)動(dòng)部由電機(jī)3 組成，由變頻器2 驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)通過CANopen 總線通信對(duì)變頻器1、變頻器2 進(jìn)行控制，如設(shè)定轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩模式、給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩限制等；同時(shí)通過CANopen 總線通信變頻器向控制系統(tǒng)返回母線電壓、母線電流、實(shí)際轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速、故障代碼等信息；控制系統(tǒng)還需完成對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的功率平衡控制，保證機(jī)頭、機(jī)尾電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率基本一致。控制系統(tǒng)還需將刮板輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)以CANopen 總線通信模式傳送給HMI 平臺(tái)。

圖1 刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案中使用的主要硬件包括控制器、變頻器、HMI 平臺(tái)、帶速傳感器、流量傳感器、通信隔離柵及DC24V/DC12V 電源等。根據(jù)方案要求，選用EPEC 3606 作為控制系統(tǒng)核心CPU，EPEC3606 自帶兩個(gè)CANopen 通信接口，21 個(gè)可復(fù)用的輸入/輸出引腳，可直接輸出并驅(qū)動(dòng)PWM 信號(hào)，防護(hù)等級(jí)為IP67，可適應(yīng)煤礦井下潮濕、高溫、高粉塵的惡劣環(huán)境[5-6]。選用的變頻器型號(hào)為BPJV1-3500/3.5，該變頻器的額定功率為2×1 250 kW，輸入電壓為2×3AC1700，輸入電流為2×550 A，輸入頻率為50 Hz，輸入相數(shù)為2×3 相；該變頻器共有兩路輸出回路，輸出電壓為0～3 300 V，輸出電流為0～275 A，輸出頻率為0～50 Hz，冷卻方式為水冷。該變頻器可在四象限運(yùn)行，且具備多機(jī)聯(lián)動(dòng)和功率平衡調(diào)節(jié)能力；具有過載、漏電閉鎖、電機(jī)過熱、超頻等保護(hù)功能和故障記憶能力[7-8]。表1 所示為EPEC3606 控制系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)分配情況。

表1 EPEC3606 控制系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)分配

3 軟件設(shè)計(jì)

刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案軟件系統(tǒng)是基于CodeSys3.5 軟件平臺(tái)進(jìn)行編程，軟件控制流程如圖2所示。刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電后，首先檢測刮板輸送機(jī)機(jī)身急停、變頻器內(nèi)部急停按鈕及沿線急停按鈕是否正常，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是否存在漏電現(xiàn)象等。如果上述現(xiàn)象都正常，則初始化軟件內(nèi)部變量、數(shù)組、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，完成開機(jī)前準(zhǔn)備工作。當(dāng)智能變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)檢測到啟動(dòng)信號(hào)后，檢測線路絕緣值如果小于100 kΩ，則刮板輸送機(jī)沿線存在漏電，禁止啟動(dòng)變頻器。檢測變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的母線電壓是否大于DC3 000 V，即變頻器內(nèi)部主接觸器吸合后直流母線電壓因內(nèi)部電容充電而升高，但大于DC3000 V時(shí)，變頻器會(huì)過壓保護(hù)[9-10]。檢測變頻器IGBT 溫度，當(dāng)溫度值超過80 ℃后過溫保護(hù)，變頻器停止工作。當(dāng)刮板輸送機(jī)啟動(dòng)并運(yùn)行后，變頻器的輸出頻率逐漸增大，刮板輸送機(jī)速度也逐漸增加。當(dāng)變頻器監(jiān)測到刮板輸送機(jī)前后電動(dòng)機(jī)已達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩則保護(hù)停機(jī)。如果刮板輸送機(jī)前后電動(dòng)機(jī)沒有達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，則增加輸出頻率，刮板輸送機(jī)速度繼續(xù)增加，直至滿速運(yùn)行。刮板輸送機(jī)運(yùn)行過程中，煤料流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測煤料流量，控制系統(tǒng)根據(jù)煤流量的變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)運(yùn)行速度，避免長時(shí)間空載或者輕載運(yùn)行。

圖2 刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)軟件控制流程

4 應(yīng)用情況

該刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案改變了傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，解決了刮板輸送機(jī)在變頻調(diào)速、節(jié)能運(yùn)行、智能驅(qū)動(dòng)等方面的問題。該方案在某煤礦綜采工作面完成工業(yè)試驗(yàn)，選用SGZ800/1050型刮板輸送機(jī)，主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)長度280 m；輸送量1500 t/h；刮板鏈速1.1 m/s；電機(jī)功率2×525 kW；減速器速比80∶1；刮板鏈型式為雙中鏈；中部槽尺寸1 500 mm×800 mm×844 mm；中部槽型式為鑄焊封底。基于該刮板輸送機(jī)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。與傳統(tǒng)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比具有以下較好的應(yīng)用效果：

1）應(yīng)用該智能變頻驅(qū)動(dòng)方案后，刮板輸送機(jī)的啟動(dòng)電流變小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，能夠完成平穩(wěn)啟停并具有較好的調(diào)速性能。

2）過載能力強(qiáng)，發(fā)生堵轉(zhuǎn)或者突發(fā)重載時(shí)不會(huì)燒壞IGBT 導(dǎo)致停機(jī)。

3）當(dāng)刮板輸送機(jī)出現(xiàn)空載或者輕載時(shí)，可根據(jù)實(shí)時(shí)煤料流量進(jìn)行無極調(diào)速，減少無功損耗，節(jié)約電能。

4）具備雙閉環(huán)控制功能，并能解決刮板輸送機(jī)前后電動(dòng)機(jī)功率不平衡問題。

5）具有故障自診斷、人機(jī)交互界面功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障并縮短故障停機(jī)時(shí)間。

為驗(yàn)證該智能變頻驅(qū)動(dòng)方案的節(jié)能效果，對(duì)該綜采工作面的原煤產(chǎn)量、總消耗電量、噸煤消耗電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳見下頁表2。該刮板輸送機(jī)原煤產(chǎn)量定額為65 876.9 t，總耗電量為115 732 kW·h，耗電量為1.76 kW·h/t；驅(qū)動(dòng)方案為恒速運(yùn)行時(shí)原煤產(chǎn)量可達(dá)76 817.8 t，耗電量為1.65 kW·h/t；驅(qū)動(dòng)方案為智能變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)原煤產(chǎn)量可達(dá)76 029.3 t，耗電量為1.50 kW·h/t；即采用智能變頻驅(qū)動(dòng)方案后，在滿足原煤煤料運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)上，降低電能消耗，是理想的刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。

表2 刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)方案優(yōu)化前后電能消耗數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)智能變頻驅(qū)動(dòng)方案在某煤礦成功完成工業(yè)試驗(yàn)，改變了該煤礦刮板輸送機(jī)的運(yùn)行現(xiàn)狀，降低了啟動(dòng)電流對(duì)機(jī)械部件及電網(wǎng)的沖擊；過載能力強(qiáng)；能夠根據(jù)實(shí)際煤料流量調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)的帶速，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)節(jié)能運(yùn)行。