交流變頻技術在刮板輸送機中的應用及優化

劉子榮

（晉能煤業同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037000）

引言

刮板輸送機與采煤機、液壓支架統稱為綜采工作面的“三機”，其不僅為采煤機牽引提供軌道，而且還為液壓支架的推溜提供支撐。目前，隨著采煤技術和采煤設備自動化水平的不斷提高，對刮板輸送機的自動化水平和運輸能力也提出了更高的要求。在實際生產中，由于工作面環境惡劣，刮板輸送機主要面臨著啟動困難、零部件性能較差且智能化水平偏低的問題[1]。

交流變頻技術為刮板輸送機主要采用的控制技術，在此基礎上對其進行優化對于提升工作面生產能力和自動化、智能化水平具有重要意義。

1 礦用刮板輸送機現狀及負載特性研究

1.1 礦用刮板輸送機現狀

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機和液壓支架相互配套的輸送機，在實際生產中經常會遇到重載啟動或載荷突變的情況。當前刮板輸送機的調速系統無法根據工況的變化進行實時調控，在出現“大馬拉小車”的情況下導致能耗嚴重，或導致對設備和電氣部件造成沖擊。因此，應實現刮板輸送機的變頻調速功能，保證刮板輸送機電機輸出功率與其運量和運速相互匹配，在達到節能效果的同時，也對刮板輸送機的相關設備起到保護作用。

目前，由于工作面生產能力的增加，刮板輸送機也發展為雙電機驅動系統。對于雙電機驅動系統而言，面臨的主要問題是如何在變頻調速系統下實現兩電機的功率平衡控制。

因此，本文將重點針對上述問題對刮板輸送機進行改造優化。

1.2 礦用刮板輸送機負載特性分析

刮板輸送機傳動系統如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機傳動系統原理圖

如圖1 所示，刮板輸送機傳動系統主要包括有液力耦合器、減速器、刮板鏈、電機以及鏈輪機軸等。液力耦合器和減速器為傳動電機驅動力的核心裝置；刮板鏈為傳遞動力的裝置。在實際運輸過程中，往往在刮板輸送機機頭和機尾位置各布置一臺傳動系統，從而保證整個傳動系統的可靠性和穩定性。為解決刮板輸送機經常面臨的重載啟動和載荷突變的運行工況，常通過采用交流變頻驅動技術實現對刮板輸送機的控制，從而降低突變工況下運行對設備造成的沖擊，進一步提升刮板輸送機運行的安全性，降低設備能耗和機械沖擊[2]。

對于一般多電機驅動刮板輸送機而言，解決電機功率不平衡問題尤為重要。實際應用中常通過采用順序啟動方式降低多電機驅動所帶來的功率不平衡問題，一般先啟動機尾驅動電機，而后啟動機頭驅動電機。該種控制方式對重載啟動時所帶來的功率不平衡問題最為有效。

2 交流變頻技術在刮板輸送機的應用

2.1 變頻一體化驅動裝置的應用

對于綜采工作面相對惡劣的工作環境，除了實現對刮板輸送機常規的變頻調速控制外，還需消除各個電氣設備之間的電磁干擾，以進一步提升刮板輸送機運行的穩定性和可靠性[3]。因此，基于交流變頻技術將傳統的變頻器改造為變頻一體化驅動裝置應用于刮板輸送機中，其對應的電氣原理如下頁圖2 所示。

如圖2 所示，變頻一體驅動裝置的變頻部分又可細分為主回路、驅動回路、主控制回路、顯示系統等。同時，變頻一體裝置變頻部分所采用的結構形式為交-直-交流的拓撲結構。

圖2 變頻一體驅動裝置電氣原理圖

針對變頻一體驅動裝置控制系統涉及到關鍵內容包括對功率平衡、硬件、軟件等進行設計。對于變頻一體驅動裝置控制系統的功率平衡控制而言，主要實現途徑為通過主電機對各個電機進行控制。變頻一體化驅動裝置采用Rockwell 集成化網絡為基礎完成信息層、設備層和控制層的設計；變頻一體驅動裝置采用Logix550 編程軟件對控制程序進行設計；此外，將變頻一體驅動裝置對帶式輸送機的啟動、停止以及變頻調速功能與刮板輸送機的常規保護功能相結合。

2.2 基于交流變頻刮板輸送機的配套

本文所研究刮板輸送機的應用工作面的實際生產能力為37000 t/h，工作面的設計長度為300 m，所配套刮板輸送機的運輸速度為1.5 m/s。結合上述參數和理論計算選型得出合理且相配套的刮板輸送機，具體型號為SGZ1000/3000 的中雙鏈變頻刮板輸送機，該型刮板輸送機的運輸速度為0～1.7 m/s，電機額定功率為1000 kW，鏈條中心距離為280 mm。結合現場使用工況，為確保變頻技術能夠充分發揮其作用，對刮板輸送機的關鍵零部件及控制策略的設計也尤為重要。

3 基于交流變頻技術刮板輸送機的優化

本小節主要從刮板輸送機零部件性能、智能控制水平等方面對刮板輸送機進行優化，以確保交流變頻技術能夠充分發揮其優勢。

3.1 刮板輸送機機械零部件的優化

為解決刮板輸送機傳統機頭架容易發生煤塊堆積，從而增加運行阻力加劇設備磨損的情況。將原刮板輸送機的機頭架采用交叉卸式布局形式，并采用中板開天窗的結構，從而降低煤炭的卸料高度，降低了刮板輸送機在卸煤過程中的運行阻力，明顯提升整機的運輸效率，降低故障率。優化后結構如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機頭架優化效果

3.2 刮板輸送機啟動方式的優化

傳統刮板輸送機主要采用直接啟動方式，該種啟動方式在載荷突變或者重載啟動時會對電網系統造成沖擊，對應的電流值為刮板輸送機額定電流值的6 倍左右，嚴重影響同一個電網系統其他設備的運行。因此，本工程中刮板輸送機采用交流變頻技術中的CST 控制方式對其進行控制。實踐表明，CST 控制方式能夠明顯在載荷突變和重載啟動工況下降低對電網的沖擊，從而減小對相關機械零部件的沖擊。

3.3 刮板輸送機功率平衡控制的優化

多電機驅動為刮板輸送機主要發展趨勢，由于實際工況中刮板輸送機負載不均勻問題極易帶來各個電機功率不平衡問題，隨時可能造成電機燒毀的問題發生。因此在交流變頻技術的基礎上還需設計有效的功率平衡控制流程，保證當刮板輸送機運輸中負載發生變化時可對多臺電機的功率進行平衡分配。

在比對PID 控制算法和模糊控制算法的基礎上，最終確定采用模糊PID 算法實現對刮板輸送機的功率平衡控制，對應的程序流程如圖4 所示。

圖4 雙電機功率平衡控制流程圖

4 結語

刮板輸送機為綜采工作面與采煤機和液壓支架相配套的運輸設備，其不僅為采煤機牽引提供軌道，而且還為液壓支架的移架推溜操作提供支撐。對于刮板輸送機而言，如何保證其運輸能力和自動化控制化水平對綜采工作面生產能力尤為重要。本文主要在交流變頻技術應用的基礎上對刮板輸送機進行優化，具體總結如下：

1）采用變頻驅動一體化裝置不僅可以解決其在載荷突變或重載啟動時對電網和機械設備造成的沖擊問題，而且還能夠解決刮板輸送機電氣裝置之間的電磁干擾問題；

2）采用交叉卸式布局的機頭架形式可以有效解決塊煤堆積而造成的運輸效率低、磨損嚴重的問題；

3）基于模糊PID 控制算法實現對刮板輸送機多電機的功率平衡控制，可有效解決電機燒毀的問題。