刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)分析及優(yōu)化研究

苗 軍

（汾西礦業(yè)高陽煤礦，山西 孝義 032300）

引言

刮板輸送機是采掘作業(yè)面物料運輸主要設(shè)備，并為采煤機移動提供軌道、液壓支架推移提供支點，刮板輸送機工作效率直接影響采掘工作效率[1-2]。隨著煤炭開采強度以及采掘深度增加，傳統(tǒng)的刮板輸送機驅(qū)動方式難以滿足生產(chǎn)需要，為此眾多研究學(xué)者對刮板輸送機啟動裝置展開研究，但是研究重點集中在驅(qū)動裝置性能，對控制系統(tǒng)優(yōu)化方面研究相對較少[3-5]。為此，以山西某礦3206綜采工作面使用的SGZ880/800刮板輸送機為研究對象，提出將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到刮板輸送機運行控制中，再對刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)進行分析并針對性優(yōu)化，以期為其他礦井刮板輸送機驅(qū)動優(yōu)化提供經(jīng)驗參考。

1 采面刮板輸送機概況

刮板輸送機機頭、機尾兩側(cè)電機帶動刮板鏈往返移動，將采掘作業(yè)面截割的煤炭運輸至轉(zhuǎn)載機、帶式輸送機，最后運輸至地面。現(xiàn)階段礦井刮板輸送機常用驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)包括有變頻驅(qū)動、CST驅(qū)動、液力偶合器等方式，其中變頻驅(qū)動可實現(xiàn)無極調(diào)速、軟啟動等，在煤礦井下應(yīng)用逐漸廣泛。礦井刮板輸送機采用液力偶合器驅(qū)動，該種方式存在應(yīng)用方式落后、啟動沖擊大等問題，為此，提出將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到刮板輸送機控制中。

2 刮板輸送機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

刮板輸送機異步電機轉(zhuǎn)速直接影響刮板輸送機運輸速度，具體異步電機轉(zhuǎn)速可用式（1）確定[6]：

式中：n0為異步電機轉(zhuǎn)速，r/min；f1為異步電機輸入電流頻率，Hz；p為異步電機極對數(shù)。

從式（1）看出，刮板輸送機異步電機轉(zhuǎn)速與輸入電流頻率間呈正相關(guān)趨勢，因此通過調(diào)節(jié)輸送電流頻率即可調(diào)節(jié)刮板輸送機運行速度。

刮板輸送機采用變頻控制后可有效解決啟動過程中啟動電流過大問題，同時避免急啟、急停問題，具體刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

刮板輸送機變頻控制主要依靠PLC實現(xiàn)，為提高變頻控制效果提出采用DX-MA01控制器作為變頻控制核心組件，該控制器直接控制電壓比例閥及開關(guān)閥、輸入及輸出端口多、高度集成等優(yōu)點。控制器用TC1796型處理器、內(nèi)存4 MB+8 kB、采用頻率150 MHz，I/O端口擴展性強，具體刮板輸送機變頻控制系統(tǒng)部分I/O端口分配情況見表1。

變頻系統(tǒng)采用CSNR161電流傳感器，該傳感器可適應(yīng)井下潮濕、高粉塵環(huán)境，具備精度高、速度快以及檢測范圍廣等；選用NJ4-12GM40-E速度傳感器。

3 變頻控制系統(tǒng)優(yōu)化

刮板輸送機采用直接轉(zhuǎn)矩啟動控制方式，具體結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

電流i1、i2分別表征機頭、機尾電流，同時也可反映機頭、機尾驅(qū)動裝置負載，同時通過分析負載轉(zhuǎn)矩與允許值間偏差來實現(xiàn)刮板輸送機機頭、機尾驅(qū)動裝置功率平衡。為實現(xiàn)刮板輸送機按照預(yù)先設(shè)定速度曲線運行，需對機頭、機尾電機啟動時間、啟動順序等進行精準(zhǔn)控制。

表1 部分I/O端口分配

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制策略

3.1 啟動優(yōu)化

對變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用后刮板輸送機輕載、重載時機頭、機尾功率差以及最大張力等進行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見表2、表3。

表2 空載啟動

表3 重載啟動

從表2看出，在空載啟動時啟動時間差會影響機頭、機尾最大張力以及功率差。啟動機頭最大張力、機尾最大張力分別隨啟動時間差增加分別降低、增加。根據(jù)表2可知，啟動時間差為3 s時，機頭、機尾最大張力差以及功率差最小，分別為4 kN、0.44 kW。

從表3看出，在重載啟動時，刮板輸送機機頭、機尾最大張力與啟動時間差關(guān)系與輕載時一致；但功率差隨啟動時間差呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。根據(jù)表3監(jiān)測結(jié)果建議重載時啟動時間差為8 s，此時最大張力差以及功率差分別為106 kN、4.09 kW。

3.2 正常運行階段優(yōu)化

對刮板輸送機處于正常運行期間時變頻驅(qū)動進行優(yōu)化，具體選用的機頭、機尾功率平衡控制方案如圖3所示。

圖3 正常運行階段機頭、機尾功率平衡控制方案

如圖3所示，機頭、機尾轉(zhuǎn)矩分別為T1、T2，轉(zhuǎn)矩差為Δ。當(dāng)Δ＞0時，表示機頭驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩過大，可通過降低機頭轉(zhuǎn)矩方式實現(xiàn)功率平衡；反之，當(dāng)Δ＜0時，表示機尾電機鉆機轉(zhuǎn)矩過大，可適當(dāng)降低機尾轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié)論

為提高刮板輸送機運行效率以及可靠性，將變頻控制系統(tǒng)應(yīng)用到3206工作面SGZ880/800刮板輸送機中，并進行優(yōu)化。對刮板機輕載、重載兩種條件下機頭、機尾電機功率差以及最大張力差等進行比對分析，發(fā)現(xiàn)機頭、機尾功率差與啟動時間差有密切關(guān)聯(lián)，將啟動時間差為3 s時，刮板輸送機機頭、機尾最大張力差、功率差分別為4 kN、0.44 kW；重載啟動時，適當(dāng)增大啟動時間差實現(xiàn)功率平衡，最佳啟動時間差為8 s。最后對刮板輸送機在平衡運行階段機頭、機尾電機功率平衡系統(tǒng)進行設(shè)計。通過優(yōu)化變頻控制系統(tǒng)，可提高刮板輸送機運行可靠性。