刮板輸送機驅動系統分析與應用

周 芳

（晉能控股煤業晉華宮礦，山西 大同 037003）

引言

刮板輸送機是煤炭企業開采的主要生產設備，其主要作用為運輸煤炭及為采煤機和液壓支架提供軌道與推移支點，對企業高效生產至關重要。由于刮板輸送機工作環境空間狹小、環境惡劣，再加上刮板輸送機啟動頻繁且啟動大多為重載啟動，使得刮板輸送機能源損耗大、設備可靠性較低。針對這一現象，本文采用了變頻驅動控制的方法對刮板輸送機驅動系統進行優化改進，以期降低設備能源消耗，提升刮板輸送機運行可靠性。

1 刮板輸送機驅動系統問題分析

刮板輸送機是以刮板鏈作為主要工作機構，運用鏈傳動原理進行設備運行的連續輸送設備[1]。刮板輸送機的傳動系統主要包括減速器、耦合器、鏈輪機軸、刮板鏈以及電機，其具體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 刮板輸送機傳動系統結構示意圖

刮板輸送機工作環境惡劣、負載較高、運行電流較大，使得刮板輸送機故障頻發、損耗電流大。故障發生與電流損耗主要發生在重載啟動與直接啟動階段，當設備需重載啟動時，鏈輪與鏈條所受沖擊載荷較大，使得設備啟動較為困難，當鏈條達到疲勞極限時，就會發生斷鏈事故，造成設備的停產維修。

當設備直接啟動時，啟動所需電流為設備額定電流的5～7 倍，使得設備電網沖擊嚴重，減少設備壽命，浪費電力能源。為解決這一問題，可采用變頻驅動控制的方法進行解決。變頻驅動控制有三大優點：可消除機械與電網沖擊、解決重載啟動問題、系統運行平穩可靠性高[2]。

2 刮板輸送機驅動系統優化

2.1 直接轉矩控制系統設計

刮板輸送機屬于恒轉矩負載，具有運行速度低、啟動轉矩大、轉矩反應靈敏度高的特點，直接轉矩控制方法可直接對轉矩進行控制。二者契合度較高。對直接轉矩控制方法進行模型建立如圖2 所示。直接轉矩控制模型包括逆變器、異步電機、開關選擇、磁鏈與轉矩的滯環調節、速度調節、磁鏈觀測、扇區判斷、坐標變換以及轉矩計算等模塊[3]。

圖2 直接轉矩控制模型示意圖

直接轉矩控制方法的實質為將電機與逆變器當作一個整體，實現電機運行與逆變器控制的有機統一。將三相正弦電壓輸入至異步電機，使其作用到三相繞組，從而產生恒定幅值與磁通，電機運行。電壓可對定子磁鏈產生控制，磁鏈可控制電機。異步電動機的輸入電壓由三相逆變器提供，電壓性能由逆變器的電力電子器件切換切換模式決定，磁通波形由定子電壓的輸入所決定。

2.2 驅動系統主電路設計

刮板輸送機變頻驅動電路主要包括主電路、檢測模塊、控制模塊以及保護模塊四部分。電路硬件結構示意圖如下頁圖3 所示。

圖3 驅動系統電路硬件結構示意圖

主電路是變頻驅動的主要執行結構，主電路的穩定性與可靠性對系統運行至關重要。本文主要采用交-直交電壓型變頻電路，其電路圖如下頁圖4 所示，主要包括驅動模塊、濾波電路、逆變電路、整流電路以及制動電路[4]。電動機型號采用DSB75 型，驅動模塊選取CONCEPT 公司的2SD315AI-33 模塊。

圖4 驅動系統主電路圖

本文中的整流電路主要目的是將電路中的三相交流電整流為直流電，由于刮板輸送機驅動裝置工作的象限通常為第一象限，故采用三相橋式不可控整流電路，其主要由6 個整流二極管組成。刮板輸送機電路所需功率較大，且輸送機運行時散熱較差，故采用組合與換管較為容易的分立二極管。

由于三相橋式不可控整流電路所輸出的電壓為諧波電壓，諧波電壓具有脈動特性，若在電路中不設置濾波電路就會使直流母線電壓同樣產生脈動，故需加入濾波環節，過濾交流成分。由于本文中主電路的諧波電壓頻率較低，且應盡量減小電感重量與成本，故采用大濾波電解電容LC 濾波器即可。

制動電路主要是為了減少泵升電壓對IGBT 的危害。由于整流電路的不可控因素，當電機停止或減速運行時，部分能量會返回到電解電容上，當電容吸收能量后就會使電容電壓升高，造成泵升電壓對IGBT 的損害。本文主要采用在功率開關器件處設置閥值的方法，當泵升電壓達到設定數值時，開關器件打開，使能量消耗在電阻上，防止對IGBT 的損害。

逆變電路的作用為將經整流與濾波處理后的直流電壓轉化為負載所需電壓。逆變電路的設計核心為開關功率器件的選取。綜合實際應用情況，本文選取EUPEC 公司的FF200R33KF2 型IGBT 模塊。

2.3 其他模塊設計

2.3.1 檢測模塊

檢測模塊主要包括電機電流采樣與直流母線電壓檢測兩部分。直流母線電壓檢測采用LEM公司的LV100 型霍爾電壓傳感器進行檢測。電機電流采樣采樣需進行電流與速度信號采樣。電流傳感器使用LEM公司的LT208-S7 型電流傳感器，速度信號檢測采用M/T 技術進行檢測。

2.3.2 控制模塊

控制模塊設計的核心為芯片的選擇，芯片參數應符合使用要求，且運行穩定可靠，可滿足刮板輸送機的控制要求。本文選用美國TI 公司生產的TMS320LF2407A 系列的DSP 芯片作為控制電路的控制核心。

2.3.3 保護模塊

保護模塊的設計主要包括直流母線保護、IGBT保護與電機保護三方面。直流母線保護主要采用過壓、欠壓與短路保護的方法；IGBT 保護采用過壓與過流保護；電機保護采用過熱、過載與斷相保護的方法[5]。

3 系統測試

按上述優化設計方法對刮板輸送機驅動系統進行優化改進并應用于晉華宮礦，刮板輸送機驅動系統主電路、檢測模塊、控制模塊以及保護模塊測試正常，刮板輸送機運行平穩，符合設計要求；對刮板輸送機驅動系統進行故障與電能損耗統計發現，驅動系統1年內系統未發生故障，系統電能損耗下降，年節約成本約428 萬元。

4 結論

刮板輸送機作為煤炭生產企業的重要設備，其運行可靠性至關重要。傳統的刮板輸送機因重載啟動頻繁，工作條件較差，其設備可靠性較低，能源損耗較大。針對這一現象，本文進行了針對性分析及優化設計，通過研究得出了以下結論：

1）刮板輸送機故障發生與電流損耗主要發生在重載啟動與直接啟動階段，采用變頻驅動控制的方法可進行相應優化。

2）采用變頻驅動控制的方法進行相應優化后，刮板輸送機啟動平穩，可靠性大大提高，1 年內系統未發生故障；電能損耗下降，年節約成本約428 萬元。