智能變頻器在大型遠(yuǎn)距離帶式輸送機(jī)上應(yīng)用研究

閆生亮

(汾西礦業(yè)柳灣煤礦，山西 孝義 032303)

帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中主要用以煤、巖等運(yùn)輸，由于受到采、掘進(jìn)工作面生產(chǎn)影響，帶式輸送機(jī)需要頻繁地開啟，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)啟動(dòng)方式在使用過(guò)程中存在電機(jī)功率平衡困難、電流過(guò)大等問(wèn)題[1～3]。因此，現(xiàn)階段礦井多是采用變頻器對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)帶式雙機(jī)軟啟動(dòng)，并降低設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)輸送機(jī)膠帶造成的影響。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，帶式輸送機(jī)電能消耗占據(jù)井下電力消耗的60%以上，采用的變頻器僅實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)軟啟動(dòng)，不能有效降低輸送機(jī)電能消耗[4～5]。因此，文中提出采用智能變頻器應(yīng)用到帶式輸送機(jī)控制中，根據(jù)輸送的煤炭、矸石量控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行，不僅可以確保帶式輸送機(jī)的運(yùn)行效率，而且還可以顯著降低電能消耗。

1 帶式輸送機(jī)變頻控制分析

現(xiàn)階段礦井采用的帶式輸送機(jī)控制一般通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)，PLC輸出工頻信號(hào)控制變頻器，變頻器通過(guò)交直轉(zhuǎn)換并經(jīng)逆變器改變輸出給電動(dòng)機(jī)的電流頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器、液力耦合器帶動(dòng)帶式輸送機(jī)滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)，滾筒通過(guò)與輸送機(jī)膠帶間的摩擦力帶動(dòng)膠帶運(yùn)行。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行的最主要設(shè)備為變頻器，其中變頻器控制裝置主要包括控制器、傳感器以及執(zhí)行元件等。文中提出的智能變頻器可以采用傳感器獲取運(yùn)輸信息，從而控制輸送機(jī)運(yùn)行速度。選用傳感器類型包括壓力傳感器、速度傳感器以及位置傳感器等；控制器包括PLC，并通過(guò)無(wú)線傳輸方式獲取電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電流等；執(zhí)行元件主要為變頻器，變頻器依據(jù)智能控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的無(wú)級(jí)變速，不僅實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)軟啟動(dòng)，而且可以降低電能消耗。

2 智能控制變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能控制變頻器控制系統(tǒng)核心是獲取運(yùn)輸?shù)拿?、巖量，因此，控制系統(tǒng)選用壓力傳感器、速度傳感器對(duì)運(yùn)載量及運(yùn)行速度進(jìn)行控制。

智能控制變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括給煤機(jī)監(jiān)控分站、輸送機(jī)控制分站，其中給煤機(jī)監(jiān)控分站用以監(jiān)測(cè)給煤量、輸送機(jī)監(jiān)控分站用以控制輸送機(jī)運(yùn)行。傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給處理中心，處理中心再通過(guò)智能算法進(jìn)行運(yùn)算，并將控制指令輸送給變頻器實(shí)現(xiàn)速度調(diào)控。

3 智能變頻器控制策略

智能變頻器通過(guò)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到帶式輸送機(jī)運(yùn)載的煤、巖量，并基于煤量匹配原則對(duì)帶式輸送機(jī)輸送量進(jìn)行控制，不僅可以提升帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率，而且可以對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行進(jìn)行智能化控制，降低使用過(guò)程中電能消耗量。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行控制的目標(biāo)函數(shù)為：

Qmin=Qr-Qe

(1)

其中：Qr、Qe、Qmin分別為輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)際功率、額定功率以及功率差，Qmin值越低越有利于輸送機(jī)降低電能消耗。

帶式輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)模型為：

M={V，F(xiàn)，D}

(2)

其中：V為影響輸送機(jī)煤(巖)量因素合計(jì)，如采、掘作業(yè)面生產(chǎn)，輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾卸載點(diǎn)等；F為輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)合計(jì)，如膠帶長(zhǎng)度、運(yùn)送方向以及膠帶帶速；D為輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿?巖)量瞬時(shí)載荷變化函數(shù)。

智能變頻器使用過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)是對(duì)于輸送的煤(巖)量進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，并以煤(巖)量為依據(jù)進(jìn)行智能控制。其中煤(巖)量瞬時(shí)載荷變化函數(shù)D就是用以煤(巖)量預(yù)測(cè)，主要是通過(guò)時(shí)間推移方式對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的煤(巖)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體表達(dá)式為：

D(T+t，l)=D(t，l+viT)

(3)

其中T表示預(yù)測(cè)周期；l表示運(yùn)輸長(zhǎng)度；vi表示輸送機(jī)膠帶在i時(shí)刻運(yùn)行速度。

智能變頻器控制系統(tǒng)調(diào)速流程見圖2。

圖2 智能變頻器控制系統(tǒng)調(diào)速流程

首先根據(jù)輸送機(jī)膠帶長(zhǎng)度、輸送機(jī)運(yùn)行速度構(gòu)建輸送機(jī)運(yùn)行模型，用以預(yù)測(cè)輸送的煤(巖)變化量，并將此時(shí)運(yùn)行速度與預(yù)測(cè)速度進(jìn)行比對(duì)，從而及時(shí)實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)提速、減速操作。

變頻器智能控制系統(tǒng)主要作用是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的速度控制，第一階段是輸送機(jī)啟動(dòng)以及停機(jī)階段，當(dāng)智能控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，控制輸送機(jī)以3.6m/s速度運(yùn)行，當(dāng)接收到停機(jī)信號(hào)時(shí)將速度降低至2.0m/s；第二階段是依據(jù)輸送的煤(巖)量以及功率對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行控制，輸送機(jī)運(yùn)行功率可以在一定程度上反應(yīng)輸送機(jī)運(yùn)輸載荷量，為了提高準(zhǔn)確性必須對(duì)輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)乃查g煤量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是由于監(jiān)測(cè)往往具有一定的滯后性，當(dāng)運(yùn)輸?shù)拿毫克查g增加時(shí)，若輸送機(jī)不能及時(shí)提速可能會(huì)造成事故發(fā)生，因此將功率作為反映輸送煤量信息較為可靠。具體的帶式輸送機(jī)速度控制策略見圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)速度控制策略

3 應(yīng)用效果分析

為了對(duì)礦井帶式輸送機(jī)采用智能變頻器控制，文中以某礦井下1305運(yùn)輸巷布置的帶式輸送機(jī)采用智能變頻器前后的輸送機(jī)電能消耗量進(jìn)行比對(duì)分析，在使用智能變頻器之前，該帶式輸送機(jī)平均運(yùn)輸時(shí)間為19.7h，運(yùn)行速度恒定為4.4m/s，運(yùn)行功率保持在780kW，輸送機(jī)每天停機(jī)檢修時(shí)間為4.3h，該帶式輸送機(jī)每天電能消耗量恒定為1.54萬(wàn)度。采用智能變頻器后的帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 智能變頻器后的帶式輸送機(jī)運(yùn)行參數(shù)

在帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)共采集3組運(yùn)行數(shù)據(jù)，第一組數(shù)據(jù)為帶式輸送機(jī)以2.0m/s(功率263kW)運(yùn)行2.5h，以3.6m/s(功率542kW)運(yùn)行16.5h，對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)能耗分別為657.5度，8943度，總計(jì)電能消耗為9600.5度。其余的兩組進(jìn)行數(shù)據(jù)見表1。從運(yùn)行效果來(lái)分析，采用智能變頻器后帶式輸送機(jī)電能消耗平均為9722.7度，較使用前電能消耗降低約36.87%，節(jié)能效果顯著。

4 總結(jié)

帶式輸送機(jī)具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輸送量大等特點(diǎn)，在煤礦生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。帶式輸送機(jī)電能消耗可以占據(jù)到煤礦井下機(jī)電設(shè)備電能消耗的60%，提高帶式輸送機(jī)運(yùn)行效率并降低電能消耗對(duì)礦井生產(chǎn)效益的提升具有較好的促進(jìn)作用。

文中提出將智能變頻器應(yīng)用到礦井帶式輸送機(jī)控制中，根據(jù)輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)拿?巖)量控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)智能調(diào)速，從而降低輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電能消耗。智能變頻器應(yīng)用到帶式輸送機(jī)后，輸送機(jī)電能消耗降低約36.87%，取得顯著應(yīng)用效果。