刮板輸送機智能變頻調速控制系統的應用

李清汝

（潞安化工集團能源事業部健康安全環保部，山西 襄垣 046204）

0 引言

現階段，我國綜采工作面主要運輸設備是刮板輸送機和轉載機。變頻調速技術可以降低系統運行過程中的電網故障和機械振動，減少鏈輪、鏈條等主要部件的磨損，提高刮板輸送機和轉載機的使用壽命[1]。本文以智能刮板輸送機的變頻調速系統為基礎，以采煤機、刮板輸送機以及轉載機等多種主要參數的耦合為變頻調速的基礎，并根據綜合評價指數的大小，進行相應的速度調節。

1 工作面及設備簡介和系統布置

1.1 工作面及設備簡介

山西某煤礦的核定能力為8 萬t/a，2S103 的智能化開采工作面位于山西組井田2-2 下的一盤區，深度為180～220 m，下煤層厚2.7～3.65 m，平均3.2 m，作業面長度為250 m，最大推進寬度為1400 m，最大工業儲備為170 kt。根據智能綜采工作面的機械設備配套狀況、煤層地質要求、生產需要，制定了一個基于智能綜采工作面變頻調速控制器，主要應用以下的機械設備：

1）刮板輸送機的型號為SGZ 1000/2565 型，其輸送能力為3000 t/h，鏈速為1.6 m/s，其主要結構如圖1所示。

圖1 刮板輸送機結構示意圖

2）轉載機型號為SZZ 1200/525，具有3500 t/h 的輸送能力，1.96m/s 的鏈速，部分驅動電機功率為525 kW，減速比為24∶1。

3）地下移動變電站類型為KBZSGZY-3150/10/2×1.905YZ 隔爆變電站，高壓一側電壓為10 kV，低壓側為1.905 kV 2 路、380 V 的1 路[2]。

4）礦用隔爆型高壓變頻器有BPJV-3X1250/3.3和BPJV-2X1250/3.3 兩種，三路輸出，每路輸出用于1250 kW 及以下三相交流異步電動機的變頻調速。三個電動機同時運行，其內部輸出電路可自動實現功率平衡控制，兩個變頻調速系統可以互鎖通訊。變頻裝置采用12 脈動整流器，減少變頻控制對電網的影響。轉換器的整流器電壓由疊加在直流電源上的兩個整流器組成。與傳統的兩電平逆變器相比，三電平逆變器對輸出的諧波有一定的削弱作用，這也保障了電機的主要工作性能[3]。

5）礦用隔爆本安控制箱選擇KXJ127（A）型，其內部裝有PLC 控制器，能夠實現刮板輸送機以及轉載機運行功率的智能化控制。

1.2 智能變頻控制系統的布置

本文以刮板輸送機為研究對象，當移動式變電所容量為2500 kV 時，主要配電網的接線見圖2。4 個電源線路的輸出端分別與變頻器輸入Ⅰ和下輸入Ⅰ相連接。該變頻器由移動變電所供電，電力來自三相四線AC380 V 可移動電源。該變頻器采用移動變電所作為變頻器的連接裝置，內部裝有三繞組變壓器，得到12 脈寬的整流電源，從而輸出功率為AC1700 V，變壓器各副邊線圈之間的相位差為30°。直流電路的電壓由兩個整流電源的電壓組成，以減少變流器對電網側的諧波干擾。

圖2 刮板輸送機系統接線圖

高壓3 型混合變頻調速裝置包括3 條輸出線，分別應用到平行頭、垂直頭、尾部855 kW 電機；高壓2型混合變頻調速裝置有兩條輸出線，一條線路用于驅動525 kW 的電動機，一條用于備用。

2 控制系統硬件

刮板輸送機的控制系統主要由PLC 控制器、高壓變頻器、顯示系統以及煤量掃描器等結構組成。2個變頻調速裝置均由本安型PLC 控制，可實現局部、遠程、定速、高速、低速、智能調速等功能，并具備聯網通訊的能力，可以進行遠距離的監控和控制。變頻控制系統的控制原理如圖3 所示。

圖3 變頻控制系統的控制原理示意圖

PLC 采用S7-300CPU315-2DP/PN 模塊，通過采集變頻器和采煤機的工作數據，動態調節設備的關鍵運行參數，如刮板輸送機的運行功率、運行電流等，實時變頻控制，以滿足刮板輸送機以最佳的狀態進行運輸工作。此外，變頻驅動控制系統引入了軟件控制技術，能夠動態顯示、記錄、存儲各種類型的信息。

3 調速控制運算原理

調速控制運算是變頻調速系統的核心，其工作原理是根據采集到的數據類型，設定判定矩陣，求出各個成分的權重分布，得到一個綜合評價指數，并依據評價指數的大小，對其進行相應的速度調節[4]。

3.1 權值的計算

首先，要對各個因子進行對比性分析。表1 顯示了判定矩陣的尺度和意義。

表1 判定矩陣的尺度和意義

現在假定Ai、Aj代表評估因子（i=1、2、...、n；j=1，2，...，n）。Aij代表Ai與Aj之間的關系，如表1 所示。通過對各因子進行對比，得出判定矩陣：

其中Aij＞0，Aii=1，Aij=1/Aji。

在此基礎上，利用方根法，對判定矩陣P 的本征矢量和本征根進行了求解。最大特征根為：

對向量T=（T1，T2，…，Tn）作歸一化處理：

最終算出的特征向量K=（K1，K2…Kn），即加權向量。各指標的權重向量k=（0.38，0.27，0.24，0.11），其中刮板輸送機電流權重為0.38，采煤機機電流為0.27，采煤機速度為0.24，采煤機位置為0.11。但是，各指標的權重并不是一成不變的。在實際應用中，應結合礦山的實際設備條件和實際地質條件，對各個指標的權重進行相應的調整。

3.2 綜合評判指標計算

通過對采煤機轉速、采煤機位置、采煤機電流、刮板輸送機電流4 項指標權重的計算，得出了刮板輸送機的調速綜合評價指標：

式中：Ae為各個指標的電流額定值。

同樣，根據轉載機轉矩和掃煤機動態掃描參數，得出轉載機變頻調速的綜合評價指標B。

4 變頻調速控制系統的實際運行

在試驗的智能綜采工作面設備準備階段，針對不同工況下刮板輸送機和輸送機的工作方式，給出了三種頻率控制方案。根據智能綜采工作面節能、綠色、環保的特點，比較了三種變頻調速方案在實際應用中的運行效率和能耗，并最終得到了理想的調速方案。

方案1 中，綜合評價指標A、B 判定后，根據評價指標的動態變化，對刮板輸送機、輸送機分別進行變頻調整。方案2 中，綜合評價指標A 確定后，再依據綜合評定指標的動態變化，適當調節刮板機的輸出轉速。該設備以恒運速、高轉速工作。方案3 中，在對綜合評價指標的A、B 值作出確定后，再按照綜合評定指數的動態變化對刮板輸送機和轉載機作出適當的速度調節。當轉速小于刮板輸送機的轉速時，可以調整為轉載機的轉速和刮板輸送機的轉速相同；當轉載機的轉速大于刮板輸送機的轉速時，就以此時的速度運行。

經實際操作比較，在應用方案1 時，刮板輸送機和轉載機速度調節方式不同，但有時會出現轉速滯后的情況，使得轉載機屢次出現壓死停機的現象，從而影響生產；應用方案2，在高速、恒速下，它能有效地克服方案1 的速度滯后問題，但無法按照對應的負載來實現變頻調速；方案3 既解決了裝載機的轉速滯后問題，又確保了裝載機在最大負荷下工作。經三種方案的實際運行結果對比分析，結果表明，方案3 能很好的避免轉載機速度滯后問題，并使其在最大負荷下工作，取得了較好的節能效果。

5 結語

本文根據工程實例，將PLC 控制的調速系統應用于刮板輸送機的運行控制中。通過實時調整轉載機的牽引速度等關鍵參數。當前刮板輸送機與轉載機位置的動態調整以及刮板輸送機的運行速度在一定程度上減少了刮板輸送機的功率損失，提高了設備的使用壽命，取得了良好的效果。