帶式輸送機節能系統優化設計

賀紅宙

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 大同 037000）

引言

帶式輸送機是一種廣泛應用于物料輸送上的機械設備，具有運量大、經濟性好的優點，隨著輸送機系統不斷朝著高帶速、大運量、長距離方向發展，輸送機系統的整體結構日趨復雜，多電機驅動輸送機系統已經成為主流，在實際使用過程中暴露出運行能耗高、啟動沖擊大、調速性能差、電機驅動功率不平衡的問題，已經成為限制物料輸送經濟性和可靠性進一步提升的關鍵因素，因此迫切需要對帶式輸送機的控制系統進行優化，提高其節能性及運行可靠性。

結合帶式輸送機系統運行特性，本文提出了一種新的帶式輸送機節能系統，該系統以變頻調速為核心，實現對輸送機在運行過程中帶速的靈活調整，同時為了滿足對傳統采用異步電機驅動系統輸送機的改造需求，提出了CST 改造方案及多電機功率平衡控制方案，實現了帶式輸送機運行過程的靈活調整。根據實際應用表明，新的控制系統能夠將輸送機運行時的能耗降低11.4%，有效地提升了輸送機在運行過程中的穩定性和經濟性。

1 變頻調速控制系統

由于輸送機系統多數采用了異步電機驅動控制，在運行過程中的電機驅動轉速和供電頻率之間的運行關系如式（1）所示[1]：

式中：n 為電機驅動轉速；f 為供電電源頻率；s 為電機運行轉差率；p 為電機極對數。

由式（1）可知，電機運行時的轉速和供電電源頻率成正比關系。因此要對輸送機的運行轉速進行調整，可以通過調整輸送機驅動電機的供電頻率來實現，對供電電源頻率的調整可以通過變頻器實現，通過變頻調速技術，能夠實現輸送機系統運行帶速的靈活、可控，提升了調節效率和可靠性。

為了滿足輸送機運行時靈活、可靠的調節需求，輸送機的變頻調速系統主要包括了變頻電路、控制電路、傳感器及控制電壓等。變頻電路主要采用了“交-直-交”的控制結構[2]，首先將交流電轉換為直流電，然后將電能存儲在直流中間電路內，然后再通過逆變電路將存儲的直流電源再轉換為交流驅動電源，其整體控制結構如圖1 所示[3]。

圖1 輸送機變頻驅動系統結構示意圖

由圖1 可知，在進行控制的過程中，系統首先對從監測傳感器處返回的控制信號進行分析處理，然后對整流電路和逆變電路進行調整，根據帶式輸送機目前的運行情況匹配最佳的調整頻率，當輸送機在空載或者出現異常后，能夠自動進行報警，實現對輸送機運行狀態的及時調整。該控制電路中傳感器主要用于對電機運行狀態、系統內的電流、電壓值等進行監控，保證對輸送機運行狀態判斷的準確性。

2 變頻調速硬件系統改造

本文主要對基于異步電機控制的輸送機系統的變頻調速硬件改造方案進行研究，為了提高整個控制系統的調節精度和可靠性，用新的PLC 集成式控制系統取代了傳統的繼電器和接觸器結合的控制模式，其變頻調速硬件系統結構如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，在該系統中通過PLC 集成控制，實現了對變頻器、電動機、耦合器及減速器的靈活控制，確保了對輸送機運行帶速的靈活調整。

圖2 變頻調速硬件系統結構示意圖

3 功率平衡控制

目前長距離輸送機均采用了多電機驅動控制模式，所使用的電機一般為交流異步電機，在輸送機運行過程中無法對各驅動電機的驅動功率進行準確控制，因此通常采用扭矩控制或者電流控制的方式來實現對驅動電機的運行功率進行調整，但系統所配備的扭矩傳感器的體積巨大，甚至是超出了電機的整體體積，因此通過轉矩控制的方法在輸送機高功率運行的條件下應用穩定性極差。而通過電流來控制的方式，對電機制造的一致性極高，而且對電網的供電穩定性要求較高，在應用過程中的準確性較差，導致多電機驅動過程中功率平衡性極差，電機頻繁出現過載或者燒毀現象，嚴重影響了輸送機系統的運行穩定性，因此在進行輸送機設計的過程中需要重點對輸送機的功率平衡控制系統進行研究，確保輸送機在運行過程中各電機運行功率的平衡性。

在經過對多數功率平衡調節方案進行對比分析后，發現采用變頻驅動的方式能夠較好的適應長距離帶式輸送機的工作需求，不僅能夠有效地提升電機的控制精度而且也能夠降低驅動電機的運行能耗。因此在采用驅動控制系統內配置無速度傳感器的變頻控制器作為控制驅動電機運行的核心，控制主驅動電機的變頻器為主變頻器，控制從動電機的變頻器為從動變頻器，該功率平衡控制系統的整體結構如圖3 所示。

由圖3 可知，在該控制系統中，從主變頻器輸出控制信號，對輸送機驅動電機的電壓和電流情況進行調節，主變頻器能夠進行轉速調節、磁鐵調節和輸出轉矩，同時能夠通過特定的算法將定轉矩信號傳輸給各指定的變頻器，控制各指定變頻器對各從動電機轉矩的控制，從而保證了帶式輸送機系統中各個電機輸出占據的一致性。通過保證各驅動電機輸出轉矩的一致性，進而實現了對各電機輸出功率的動態調節，保證了各電機輸出功率的平衡性，有效避免了電機因功率不平衡導致地損壞。而且在采用變頻驅動控制模式后，能夠根據帶式輸送機的實際運行狀態對輸送機的運行速度進行動態調節，避免了帶式輸送機定轉速運行時所存在的功耗大、運行經濟性差的難題。

圖3 功率平衡控制系統示意圖

在新的輸送機制動系統投入使用后，對優化前后的運行情況進行監測，優化后，輸送機的運行穩定性和制動性可靠性得到了顯著地提升，同時輸送機運行時的耗電量比優化前平均降低了11.4%，每年節約用電成本約為80 萬元，解決了傳統大傾角輸送機系統運輸穩定性差、制動可靠性低的問題，為提升大傾角輸送機的運輸穩定性，奠定了基礎。

4 結論

1）變頻控制電路，采用了“交-直-交”的控制結構，能夠根據帶式輸送機目前的運行情況匹配最佳的調整頻率，提高輸送機運行控制的靈活性。

2）采用功率平衡控制，保證了各電機輸出功率的平衡性，有效避免了電機因功率不平衡導致的損壞。

3）新的輸送機系統能夠將運行時的耗電量降低11.4%，為提升大傾角輸送機的運輸穩定性，奠定了基礎。