帶式輸送機變頻驅動系統設計與測試

謝志清

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

帶式輸送機廣泛應用于煤礦井下輸送系統，將綜掘、綜采工作面開采出的煤料由井下傳送至井口。傳統帶式輸送機運行過程為恒速運行，即以額定速度運行，缺點為存在空載或者輕載時，電能浪費現象嚴重；存在重載或者超載現象時，對設備機械部件沖擊過大并縮短使用壽命[1]。為提高帶式輸送機運行效率，使得帶式輸送機帶速能夠根據負載變化自適應調速，煤礦企業以及科研院校針對帶式輸送機驅動系統展開廣泛的研究，如文獻[2]基于DSP 控制器為核心部件，建立帶式輸送機帶速與負載動態變化模型，以變頻驅動模式實現帶式輸送機自適應調速；文獻[3]研究了帶式輸送機機頭、機尾變頻驅動功率平衡問題，通過調節變頻驅動頻率，實現機頭、機尾電動機功率平衡，實現最優變頻驅動方案。文獻[4]重點研究了膠帶輸送機變頻調速方案，建立模糊PID 控制系統完成調速。文章以帶式輸送機為研究對象，設計一主二從帶式輸送機變頻驅動方案，并在試驗室環境完成帶式輸送機多種工況測試。

1 方案設計

煤礦用帶式輸送機包括機頭/機尾驅動電機、驅動滾筒、減速機、制動系統裝置、皮帶帶面、機架托輥、皮帶張緊系統等裝置。根據現場生產情況需求，結合帶式輸送機靜態、動態特性，為保障帶式輸送機安全、可靠、高效、平穩運行，從以下兩個方面進行系統方案設計：一是結合帶式輸送機使用工況，確定其運量、帶寬、長度、帶速、帶強、軸功率、驅動電機功率等關鍵參數；二是根據帶式輸送機動力學模型，確定機頭/機尾驅動裝置布置方式，為同軸四驅動，一主兩從驅動方式。為保證運行的穩定性、可靠性，選用ABB 公司ACS1000 變頻器[5-6]，并確定變頻器間通信方式為CAN 總線通信，變頻器與驅動系統控制器之間選用通過CAN 總線通信連接，如圖1 所示。設計PLC 控制箱，其主要功能是與另外PLC 柜、變頻器、變壓器、操作平臺、集控平臺通信交換數據，進行操作臺的功能設計，操作臺主要是便于帶式輸送機司機操作，盡可能發揮人機界面強大作用，準確顯示每臺設備的主要狀態參數，并將每臺設備故障信息動作記錄，方便處理故障，并對主要設備實時數據做好記錄。

圖1 帶式輸送機變頻驅動主從控制系統結構

帶式輸送機變頻驅動控制系統部分設計以西門子S7-300 CPU 為核心，硬件構成如圖2 所示，核心CPU 模塊為CPU 315-2DP，由電源模塊PS307 提供DC24V 電源。根據帶式輸送機變頻驅動功能，需擴展直流32 點數字量輸入模塊SM321 一個、繼電器16點數字量輸出模塊SM322 一個、通信模塊CP343-1一個，通信模塊CP340 一個。

圖2 帶式輸送機變頻驅動系統硬件CPU 構成

2 方案測試

2.1 帶式輸送機空載啟動時驅動滾筒的電流、轉矩和速度曲線分析

根據后臺監控系統，觀察帶式輸送機在空載啟動時驅動滾筒的電流、轉矩和速度曲線的走勢分析。在啟動初始階段時變頻器輸出電流只有激磁電流。電機激磁后，開始旋轉，因電流只有激磁電流，沒有負載的做功電流，所以驅動轉矩不大，同時在很小的范圍波動。所以啟動初始階段電流上升比較緩和。隨著電機的加速運行，電流和轉矩因主要克服電機的加速會逐步加大，此時電機的電流主要為勵磁電流和克服電機加速度的電流，但是當電機到達額定轉速時，電機的電流就趨于勵磁電流，轉矩此時又會接近0[7-8]。所以帶式輸送機在空載啟動加速時，能夠滿足驅動力和速度變化的要求，如圖3 所示。

圖3 空載起動力矩和速度曲線圖

2.2 帶式輸送機緊急制動、正常停機情況下輸出的轉矩速度曲線分析

根據后臺監控情況，詳細分析帶式輸送機分別在緊急制動、正常停機情況下，驅動滾筒輸出的轉矩變化情況、帶式輸送機速度曲線的變化情況。帶式輸送機停機時變頻器輸出電流會逐漸較小，驅動轉矩變成反向的轉矩，此時把電機拉停，逐漸減到很小時，驅動變頻器會封鎖輸出脈沖。同時由于變頻器的輸出電抗器的阻抗作用，電流會反向上升，短時間再逐漸降到0。根據帶式輸送機電流和力矩曲線分析，帶式輸送機出現緊急制動、正常停車情況下，驅動系統完全滿足輸出轉矩變化的要求，如圖4 所示。

圖4 停機時力矩和速度曲線圖

2.3 帶式輸送機負載量發生變化時電機輸出轉矩曲線分析

根據后臺監控情況，在帶式輸送機負載量發生變化時，觀察電機輸出轉矩曲線的變化。隨著帶式輸送機的運輸特性在搭接點逐步加載，驅動電機所需電流也在逐步加大，因此變頻器輸出電流逐步加大，電流和轉矩都會比空載時大一些。隨著負載逐步緩慢加大，此時的電機電流不僅是勵磁電流，還需一部分電流克服負載做功，因此電流會逐步增加，轉矩也是如此。因此分析，帶式輸送機驅動變頻系統的輸出轉矩變化，能夠滿足帶式輸送機負載量的變化需求，并自動平穩調整，性能安全可靠，滿足現場生產需求。

2.4 帶式輸送機加速、減速情況下曲線分析

根據后臺監控帶式輸送機運行情況，測試分別在加速、減速情況下，分析變頻驅動系統的速度變化曲線、輸出轉矩變化曲線，判定是否滿足要求。帶式輸送機速度的變化主要是存在于開機起動加速和停機減速階段，驅動系統的速度走向主要是跟隨變頻器給定的加速斜坡曲線，根據觀察，實際速度能夠根據變頻器的加速度緩慢上升或下降，直至速度達到給定轉速，力矩根據加速度可靠變化，曲線走向穩定、可靠，滿足帶式輸送機運行需求。

2.5 帶式輸送機節能效果分析

在煤礦的實際生產過程中，大部分時間帶式輸送機是不能滿載運行的。輕載和空載的情況時有發生，這就存在電能損耗。帶式輸送機的驅動系統裝有變頻器，電機與減速器之間去掉了液力偶合裝置，是直接的硬聯接，空載起動時，大大地提高了傳送效率，節約了能耗。實際運行過程中它可以根據皮帶的實際載重量調節皮帶速度，降低能耗。在生產中，還會出現電壓不穩等現象，使用變頻器后，變頻器具有失電跨越功能，通過變頻器調節可以保證在電壓不穩的情況下，有效減少停機次數，減小起動能耗。

3 結語

基于西門子CPU315-2DP 為核心，設計帶式輸送機一主二從變頻驅動控制系統，以CAN 總線通信模式實現控制系統與變頻器之間、變頻器與變頻器之間的數據傳輸；在試驗試驗環境中完成帶式輸送機空載啟動、加減速、負載突變、正常運行等多場景試驗并分析電流、轉速、速度曲線變化規律；設計并實現的帶式輸送機變頻驅動系統能夠保證設備高效、節能、安全運行。