变频调速技术在煤矿输送机的应用探究.pdf

1 08 童 谯 茬 纠 枝 2 0 16 年 第 5 期 变频调速技术在煤矿输送机的应用探究 张亚峰 山西晋 煤集 团赵 庄二号井机 电运行工 区，山西 长治 0 4 6 6 0 5 摘要 本文概述了变频调速技术的原理，研究分析 了变频调速技术在煤矿输送机的应用情况，采用这种技术，能够降低 输送机传输功率，改善运行状况，延长设备使用寿命，达到节能的目的。 关键词 煤矿设备输送机械 变频调速 节能优化 中图分类号T D5 2 8 文献标识码B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 Q． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 4 7 Appl i c a t i on o f va r i a bl e f r e qu e nc y s pe e d c o nt r o l t e c hno l o g y i n c oa l m i ne c o n ve yo r Zh a n gYa f e n g S h a n x i J i n c h e n g Z h a o Z h u a n g N o ． t w o s h a f t m e c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l o p e r a t i o n w o r k a r e a , S h a n x i C lh a n g 0 4 6 6 0 5 Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e p r o v i d e s a n o v e r v i e w o f t h e v a r i a b l e fre q u e n c y s p e e d c o n t r o l t e c h n o l o g y p r i n c i p l e ， a n a l y z e d t h e a p p l i c a t i o n o f t h e fre q u e n c y c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y i n c o a l mi n e b e l t c o n v e y o L t h i s t e c h ni q u e c a n r e d u c e s the c o n v e y o r t r a n s mi s s i o n p o we r ， i mp r o v e s t h e o p e r a t i o n s i t u ati o n ， p r o l o n g s t h e s e r v i c e l i f e o f t h e e q u i p me n t ， a n d a c h i e v e s t h e e n e r g y s a v i n g p u r p o s e ． Ke y wo r d s c o a l m i n e e q u i p me n t c o n v e y i n g ma c h i n e r y e q u e n c y c o n t r o l e n e r g y s a v i n g o p t i mi z a t i o n 煤矿企业在输送设备优化节能方面没有采取有 效的改进措施 ，造成输送设备耗能大、设备使用年 限降低。随着科学技术不断改进，采用变频调速技 术优化改进煤矿输送设备，不但降低了使用功率， 而且也减少了元器件磨损损耗。 1 变频调速技术概述 变频调速技术控制系统 由计算机、电机传送装 置及电感附加元件组成 ，其 中计算机在应用程序中 控制电机电流源频率的转换 ，改变电流变化周期， 保证电能充分利用。其次是变频调速技术在节能方 面的应用，原有煤矿输送机运输功率较大，一直处 于高能耗负载状态，变频控制技术能够改变电路系 统中的运行功率 ，当输送机在正常负载状态时，电 机运行功率一直处于额定数值。当输送机在空负载 运行状态下，变频控制技术 中的逆变器便会改变电 机运行功率，将运行功率降至最低 ⋯。例如输送机 在传输过程中电机负荷的运行功率为 1 5 k W ，但 由 于输送机的输送质量小于设计承载质量，此时变频 器便会改变电路中的逆变电流，减少额定功率的输 入，将额定运行功率降至 1 2 k W，这样变频调速技 收稿 日期2 0 1 6 0 3 1 5 作者简 介张 亚峰 ， 1 9 8 1 一 ， 男，河 北石 家庄人 ，2 0 0 5年 毕 业于河北建筑工程学院电气工程及 自动化专业，工程师。 术起到了节能优化的目的。 2 煤矿输送机装置中的分类选用 2 ． 1 输送机集中控制装置功能 根据输送机集中控制系统的组成结构 ，在硬件 系统主要利用可编程控制器 P L C，这种控制器能够 对电机电流、 温度、 皮带转速及皮带秤等数进行控制 ， 还能对人机界面中的一些外加操作进行定性分析， 包括皮带启停控制 、数据信息检测、变频器频率改 变及报警系统的故障分析，这种控制技术主要实现 煤矿输送机的集中控制 ， 提高工作人员的工作效率。 在输送机集中控制系统中采用通信装置 ，该装置集 计算机 、网络及通讯于一体 ，能够对传输机的控制 回路进行简化操作。例如煤矿输送机中主斜井皮 带与大巷皮带之间速度转化范围大，利用该集中控 制装置能够将主斜井皮带运行速度与大巷皮带的运 转速度一致，保证两皮带之间速率无任何偏差。该 装置还能控制电机的运行温度 ，该装置前端装有感 应器 ，该器件能够对电机进行过热保护。例如 传 统煤矿输送机电机运行功率为 1 0 k W，但运行时间 超过 4 8 h后，电机转子运行温度便会达到 1 3 0℃， 如果仍继续运行 ，则会烧毁电机 【 2 】 。但是该感应器 能够调控电机的运行温度，假设温度超过电机正常 2 0 1 6 年第 5 期 东 堪蕉 舛枝 l 0 9 使用范围，该感应器便会降低转子运行速度。 2 ． 2 煤矿输送机的调速装配类型 根据煤矿输送机的调速装配类型进行分析 ，其 在调速阶段受两个层面的影响，包括输送机 的软启 动及节能运行，其中软启动调度阶段对输送机运动 张力、物料排布方式及质量进行了假设分析，而在 节能运行方面对传输阻力进行探究分析。 利用运动学原理对输送机软启动进行分析，假 设 0 时刻输送位移为 m， ， z ， 则有运动学公式可得 f U m ， o 0 1 、 。 ㈠ 式中 输送位移 ，m。 当经过时间 t 后，输送机运行速率便会处于稳 定状态 。此 时得 出的速度公式 为 u f 0 ， f 1 一1 f 2 f f 一 _r c o s 1 2 、 2 2 T 式 中 a 一 输送机运行加速度，m ／ s 2 ； 传送带运行一周所用的时间，S 。 根据数据分析可得采用正弦激励模式使输送机 产生的总张力较小 ，输送机在软启动过程中，变频 调速器通过改变加速度 a的大小，完成输送机的运 动阶段。其运动流程如 图 1 所示，当输送机在 t - 0 时刻时，输送机的运行速度为 0 ；当运行至 t ， 2时， 加速度达到最大，此时速度仍在上升 ，当在 f 时， 此时加速度为 0 ，速度达到最大，输送机处于稳定 运行状态 p ] 。变频调速技术根据输送机的运动规律 进行定性分析 ，使其不但保证输送机运行速率的稳 定性，而且还要保证设备的安全运行环境。 v代表输送机输送速率；a代表加速度； b表示速度与加速度平衡点 图 1 输送机软启动运动规律 曲线图 变频调速技术对输送机节能优化配置阶段主要 对运行阻力和功率进行探究。通过变频调速技术减 少输送机输送带的传送阻力 ，这样便能减少电机设 备的运行功率。另一方面便是对功率进行直接控制 ， 通过改变输送机运行速率 ，降低输送带的无用做功 ， 这样便能减少无用功 ，使其起到节能优化的目的。 在阻力分析流程中，将输送机的皮带所遇到的阻力 分为两类 ，包括基本阻力和倾斜阻力 ，基本阻力的 产生主要来 自输送带与托辊之间的摩擦 ，对于长距 离水平输送带传输运送，这种基本阻力较为常见； 倾斜阻力是由于煤矿物料在倾斜输送过程中，产生 斜下分量。由力学分解可知 ，物料在倾斜运输过程 中会受到斜坡支持面向上的支持力和垂直向下的重 力，重力在分解过程 中，会产生一个沿斜坡水平的 外力。输送带本身具有摩擦系数 ，所以便会产生倾 斜阻力 [ 4 ] 。所以在节能优化控制方面是对阻力进行 控制。利用变频调速技术在功率进行控制 ，当电机 经减速器带动传动滚筒运行时，功率便会瞬间增大， 消耗功率较多，对此通过变频调速器改善滚筒的驱 动能力 ，减少电机额外功率的消耗。 3 变频调速技术在煤矿输送机中的应用 变频调速技术在煤矿输送机中的应用主要包括 三部分 初始阶段、运输阶段及变频调速控制阶段。 在初始阶段主要是通过变频器改变输送机启动时的 动阻力；运输阶段主要是改变电机交变电流的交换 频率，使电机运行功率处于稳定状态 ；在变频调速 控制阶段的运行控是通过变频器改变电机转子运行 速率，在一定程度上减少热功率损耗 ，提高设备工 作效率。 3 ． 1 初 始 阶段 输送机在启动时，传送带的静阻力通过传动装 置转化为动阻力。随着传送带截面振动的增加 ，使 得振动张力不断上升。通过变频调速器改变输送机 的驱动张力 ，这样便能降低动阻力系数。原有输送 机没用采用变频装置 ，而是直接输送煤矿原料。在 输送过程中，一方面受到阻力的增多，另一方面在 初始阶段由于输送带与滚筒之间的静摩擦，造成输 送带脱落。采用变频控置 ，将输送机的启动速度保 持在 0 ． 5 ～ 0 ． 7 m ／ s ，减少运行阻力，从而增加了设备 的有用功。 3 ． 2运 输 阶段 运输阶段主要是改变机电装置的交变频率 ，输 送机处于负荷状态时，变频器便会将交变电流功率 增大。当电流源功率不足以提供设备正常运行时， 此时变频器还会将附加的电流源作为备注电源 ，满 足设备正常需求。当输送机处于空载或闲置状态时， 下转第 1 1 1页 2 0 1 6 年第 5 期 童 堪茬 斜技 警 、停机。该系统将具有 自动化、精确化、非接触 、 反应快等特点 ，该种保护原理主要存在几下几关键 技术及难点 1 研制具备能够完全适用于煤矿井下现场 环境 的胶带撕裂检测的新型激光二维 C C D图像传 感器。 2 该套系统必须低功耗和高稳定性。 3 研究用于消除图像传感器镜头浮尘的 自 动清理装置，防止粉尘对激光二维图像传感器镜头 的污染 。 4研制开发快速分辨运输物料中的煤炭、 矸石 、金属物体及其外形体积大小的胶带撕裂物体 识别数学模型及专用软件技术。 5 将撕裂地点、 曲线 裂缝宽度 、 深度 、 长度 等信息进行快速传输及预警的专用软件及技术。 4 实际应用及存在的不足 该系统的激光轮廓线纵撕保护装置已由山西戴 德测控技术有限公司研制完成 ，其实验样机已在东 坡煤矿进行了现场试用，其主要技术参数如下 可容检测胶带速度 0 ～ 1 0 m ／ s ； 可容检测胶带宽度 无限制； 算法延时≤0 ． 2 m s ； 通讯方式以太网或光钎； 通讯距离 1 0 k m； 防护等级 I P 5 7 ； 单 帧视野 4 0 03 0 0 mm； 帧分辨率 1 0 2 4 7 6 8 ； 停止距离0 ． 5 - 5 m 可根据需求自定义 ； 经东坡煤矿现场试验 ，该设备运行平稳，激光 轮廓线对胶带表 面的损伤特别是纵 向开裂判断准 确 ，响应快速；并且能够对胶带撕裂的长、宽预警 值进行任意设定 ，从而避免了由于胶带表面原有的 伤痕引起设备的频繁报警。 但该系统现最大的不足主要为监测激光轮廓线 的图像传感器镜头防尘问题。由于井下现场条件的 恶劣，现场的粉尘及胶带脱落的煤泥极易污染镜头， 影响对激光轮廓线的取样拍摄效果，导致该装置在 镜头被粉尘等污染后，引起装置的误报警。 5 结 论 钢丝绳芯强力输送带作为煤矿 的重要运输设 备，在煤矿生产中起着至关重要的作用 ，如何保证 输送带的安全、稳定 、高效运行 ，防止纵撕事故的 发生 ，是煤 矿长期 以来 十分重 视的一个 问题。而主 动式胶带纵撕保护方式将为胶带机的纵撕保护带来 一 屡新的发展思路 ，能够比较全面的解决胶带纵撕 给煤矿带来的重大经济损失及安全隐患。 上接第 1 0 2页 变频器便会改变电流的交换次数 ，减少额定功率的 输 出 1 。例如在正常状态下 ，输送机的额定功率为 8 k W，承重质量 4 0 0 k g 。但在空负载运行条件下， 输送机运行额定功率仍为 8 k W，为减少机电设备功 率损耗 ，变频器便通过改变交变电流的频率，使得 现有频率变为 2 0 0 H z ，机电设备的额定运行功率变 为 6 k W。这种变频调控技术在当今煤矿输送设备 中极为常用，并已取得了较好的使用效果。 3 _ 3 变频 调速控 制 阶段 变频调速控制阶段主要是控制电机转子的运行 速率，假设电机转子一直处于高速运行状态，必定 会增加热损，影响设备的使用寿命。而变频调速技 术首先改变电机的供电电压 ，将电压降至最小。例 如原有机电设备电压为 3 8 0 V，电机使用电压范围 在 3 3 0 ～ 3 8 0 V，这样变频控制器便会将电机的使用 电压降至最小值 3 3 0 V， 减少电机转子的运行速率。 这种调控技术 主要适用于降低 电机转子 的运行速 率，减少其热损。 4结语 通过对变频调速技术在煤矿输送机中的应用分 析，对煤矿输送机中的调速装置有了更为深刻的认 知。这种变频调速技术不但能够减少设备的热损， 而且还能降低传送带与滚筒之间的摩擦 ，减少摩擦 力产生的无用功 ，这种节能优化方式在煤矿中得到 了广泛的应用，提高了企业经济效益，更好地带动 了产业经济发展 。 【 参考文献 】 [ 1 ] 夏志华 ． 变频调速技术在煤矿输送机中的应用 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 3 ， 4 3 1 7 3 4 3 5 ． [ 2] 张成刚 ． 交流变频调速技术在刮板输送机驱动 系 统上 的应 用 [ J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 3 ， 5 2 2 7 1 3 - 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