变频技术在带式输送机远距离运输中的应用.pdf

第 3 9卷 第 4期 2 0 1 3年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i on V0I ． 3 9 NO ． 4 AD r ．2 01 3 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 4 0 1 0 5 0 4 DOI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 2 9 苗继军 ， 姜明学 ， 刘朋元 ， 等． 变频技术在带式输送机远距离运输 中的应用I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 4 1 0 5 一 l O 8 ． 变频技术在带式输送机远距离运输中的应用 苗继军， 姜明学， 刘朋元 ， 吴江， 刘波 神华 乌海 能源 有 限责任 公 司 机 电动 力部 ，内蒙古 乌海0 1 6 0 0 0 摘要 针对某矿带式输送机控制 系统采用工频拖动和液力偶合器传动， 存在 着传动效率低、 启动 电流冲 击及机 械 冲 击大 、 电动机 功 率不平 衡 等 问题 ， 提 出 了一种 采 用 变频 控制 技 术的 改造 方案 。该 方案运 用 变频 器 的软 启动 功能 ， 将 电动机 的软 启 动和 带 式输 送 机 的软 启 动 合 二 为 一 ， 通 过 电动 机 的慢 速 启 动 带 动 输送 机 启 动 ， 使 重载 启动 时输 送机 启动 平 滑 ， 转 矩 大 ， 没 有 冲击 电流 。 实际应 用结果 验证 了该 方案 的有 效性 。 关 键 词 带式输 送机 ；变频 器 ； 功 率平衡 ；液 力偶合 器 中图分 类号 TD 6 3 4 文 献标 志码 B 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 4 0 1 1 3 4 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 4 0 1 ． 1 3 4 6 ． 0 2 9 ． h t m1 Ap pl i c a t i o n o f f r e q u e n c y - c o nv e r s i o n t e c hn o l o gy i n l o n g di s t a n c e t r a n s D o r t a t i o n o f be l t c o n v e y or MI AO J i j u n， J I ANG Mi n g x u e ， LI U Pe n g y u a n， WU J i a n g ， LI U B o El e c t r ome c ha n i c a l Dyn a m i c s De p a r t m e nt，She nhu a W u ha i Co a l Gr ou p Co r p or a t i o n Li mi t e d， W u ha i 0 1 6 00 0．Chi n a Ab s t r a c t I n vi e w o f pr o bl e m s o f l ow e f f i c i e nc y，bi g i mpa c t of s t a r t u p c ur r e n t a n d m e c h a ni c a l s ho c k 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 - i 1 。 作者简介 苗继军 1 9 6 7 一 ， 男 ， 内蒙古 巴彦淖尔人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 现 主要从事 机电运行 、 设备管 理及安全管 理工作 ， E ma i l 3 2 9 5 3 3 7 4 4 qq．c orn o 图 8 TL C2 5 4 3 AD转 换 流 程 AD转换 ， 完 成 AD转 换 后 ， 数 据 由 S DO 通 过 指 令 输送到单片机 ， C L K置高并适 当延时 ， 避免其他通 道数据的影响 ， 每次判定是否所有通道的数据读取 完毕 ， 读 取 结 束 后 ， C S置 高 电平 ， T I C 2 5 4 3停 止 工作 。 4 结语 矿 用绞 车闸 瓦综合 保护 系统 能很 好检测 闸瓦 的 工作 状 态 ， 当温度 传 感 器检 测 到 电动 机 温 度超 过 正 常工作范围、 闸瓦开关磨损严重 时， 会 自动报警 ， 避 免事故的发生， 进而保护绞车安全运行， 提高了提升 绞车 的效 率 和可 靠性 ， 对 改善 矿 井 生 产 安 全有 着 重 要 的意 义 。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 姚 文静 ． Y J A型 闸工作 间隙报警仪 的设 计[ D ] ． 泰安 山东科技大 学 ， 2 0 1 0 ． 黄 贤斌 ． 传感器原 理与 应用 [ M] ． 成都 电子科 技大 学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 武超． 盘行 闸工作 间 隙实时监 测 系统 l- D] ． 泰 安 山东 科技大学 ， 2 0 0 3 ． 李维刚． 煤矿绞车远程监测系统的研究与应用[ D ] ． 西 安 西安工业大学 ， 2 0 1 1 ． 1 0 6 工矿 自动 化 2 0 1 3年 第 3 9卷 b e i n g u n a b l e t o b a l a n c e p o we r b e c a u s e o f u s i n g p o we r f r e q u e n c y a n d f l u i d c o u p l i n g t o d r i v e b e l t c o n v e y o r c o nt r o l s ys t e m i n a Coa l M i ne， a r e f or m s c he me a d o pt e d f r e qu e nc y c on ve r s i o n c on t r ol t e c hno l og y wa s pr op o s e d．The s c he me us e s s o f t s t a r t f u nc t i o n o f f r e q ue n c y c on ve r t e r t o i nt e g r a t e s o f t s t a r t o f mot or a n d be l t c on v e yo r s，a d o pt s s l o w s t a r t of m o t o r t o d r i v e c o nv e y o r s s t a r t ，S O m a k e c o nv e yo r s h a v e s mo ot h s t ar t ， bi g t o r qu e，no i nr us h c u r r e nt u nde r h e a v y l oa d s t a r t i ng．The p r a c t i c a l a p pl i c a t i o n v a l i d a t e s e f f e c t i v e n e s s o f t he s c he me． Ke y wo r ds be l t c on v e y or；f r e q ue nc y c on ve r t e r；p owe r ba l a nc e；f l u i d c ou pl i n g 0 引 言 随 着煤 炭 生 产 工 艺 的进 步 ， 煤 炭 生 产 力迅 速 发 展 ， 长距 离 、 大功 率 、 多 点 驱 动 的 矿 用带 式 输 送 机 应 用越 来越 广泛 。带式 输 送 机 属 于启 动 摩 擦 力 大 、 且 常处 于满 载状 况 下启 动 的设 备 ， 需 输 送 带 张 紧后 才 能启 动 ， 因此 ， 受 到输 送 带 张 力 、 反拉 力 及 启 动 张 力 的作用 ， 同时受到输送带本身强度的限制 ， 要求输送 带在 启动 时 ， 加速 度 要 小 ， 启 动 要 平 稳 ， 而 启 动 力 矩 要最 大 ， 具有 一定 的过 载 能力 。当输送 带较 长 时 ， 需 平衡 二 机或 多机 驱动 力矩 ， 均 衡负 荷 ， 主从 机功 率平 衡 ， 降低机械磨损和故障。 神华乌海能源有 限责任公 司 以下简称乌海公 司 的矿用带式输送机大多采用工频拖动 、 液力偶合 器传动 ， 存在着传动效率低、 启动电流冲击及机械冲 击 大 、 无法 功率 平衡 等 问题 ， 造成 运输 系统 运 行不 稳 定 ， 具体表现为输送带断裂 、 局部谐振跳带 、 撒煤、 输 送 带和 液力 偶合 器磨 损严 重 、 维修 及 维护 成本 高 、 存 在 无功 环 流损耗 等 。变 频技 术可 以通过 改变 异步 电 动 机 的供 电频 率 实现 主从 机 调 速 运 行 ， 达 到 多 机 功 率 平衡 ， 提 高带 式输 送机 整 体效 率 的 目的 ， 因而笔 者 提 出采 用 变频技 术 对该 矿带 式输 送 机控 制系 统进 行 改 造 。改 造后 的 系统 加 速 时 间 任 意 可 调 ， 满 足 真 正 意义上的软启动 ， 延长 了输送带寿命 ， 具有高精度转 矩控制 、 重载平稳启动 、 对 电网无冲击、 主从功率平 衡 、 机 械磨 损 和故 障率 低 、 功率 因数 和整 体传 动效 率 高 、 节 能 效果 明显 的特 点 。 1 带式 输送 机几 种启 动 方法 比较 1 ． 1 液 力偶 合 器 启 动 液 力 偶 合器 主要 包 括 限矩 型 和调 速 型两 大类 ， 限矩型液力偶合器是依靠液体的动能变化来传递功 率的液力传动装置 ， 通过联轴器分别与电动机 、 减速 器相连 。在实际应用中偶合器的泵轮与电动机的输 出轴相连 ， 作为 主动轴 的传递。其涡轮与减速器相 连 ， 作为从动轴传递 。驱动装置工作时 ， 通过改变工 作 油 液 的充满 度 实现 电动机 之 问的 功率平 衡 。调 速 型液 力偶 合器 与 限矩 型液力 偶合 器 的工作 原 理基 本 相 同 ， 其 主要 不 同点 在 于 对调 速 型液 力 偶 合 器 转 速 的调 节 采用 了勺 管 出 口的调 节 方 式 ， 主要 是 通 过 监 测每 台 电动机 的 负荷 电流来 控制 勺 杆 的位 置 以及 充 液量 的大 小 ， 这 样 可 以相应 地改 变输 出力 矩 ， 从 而 达 到输送机 的软启动和无级调速效果。液力偶合器启 动虽然可以实现软启动， 但是属于液力传动 ， 机械效 率低 ， 在生产过程 中整体传动效率 C S T系统大约为 8 5 ． 0 ， T TT系 统约 为 8 3 ． 4 ； 并 且液 力 偶 合 器 启 动无 法 对运 行数 据 进 行监 测 与 控 制 ， 进 而 无 法 实 现 多 点驱 动 的功率 平衡 问题 。 1 ． 2 矿 用 隔 爆 软 启 动 器 可 控 硅 软 启 动 国内大 多软 启动 器 的微处 理器 控制 单元 都 采用 微 处理 器 、 电力 电 子控 制 技 术 及 全 数 字速 度 控 制 技 术 实现 交 流 电动机 的软 启动 功能 。电动机 的转 矩 与 加 在定 子端 的电压 平 方 成 正 比， 电动 机 电流 与定 子 端 的 电压成 正 比。 因此 ， 通 过 控 制 定 子 端 的 电 压对 启 动转 矩 和启 动 电流 进 行 控 制 ， 从 而 控 制 电 动 机 的 转速 可达 到软 启动 目的 ， 通 过 软 启 动 保 护 器 控 制 可 控 硅导 通 角对 启 动 电 压 的输 出进 行 控 制 。工 作 时 ， 软启动器接收到控制信号后 ， 根据预先设定的参数 ， 控制 三相 晶闸管 的 导通 角 ， 使 电动 机 按 设 定 模 式 平 滑启动。启动结束后 ， 由控制器发出信号 ， 使旁路真 空接触器闭合 ， 晶闸管暂停工作。微处理器对运行 数据 继续 监 视 ， 以实 现 对 各 类 故 障进 行 全 程 保 护 。 但 是在 实 际生产 中 发 现 由 于缺 少 实 时 反 馈 ， 在 面 对 远距 离 多点 驱动 的 带 式 输送 机 时 ， 软启 动 器 无 法 做 到 多 电动机 功率 平 衡 ， 当输 送 带 重 载启 动 时 仍 然 出 现不可忽略的电气冲击等问题 。 1 ． 3 变频 驱动技 术 交 流 变 频 调 速 装 置 是 近 几 十 年 来 发 展 起 来 的 一 种调 速方 式 。异 步 电动 机 的 同 步 转 速 。与 供 电 频率 厂 、 磁极对数 p的关系为 一 6 0 f／ p 1 从 式 1 可看 出变频 器 的调 速基本 原 理 改 变 异 2 0 1 3年 第 4期 苗继军等 变频技术在带式输送机远距 离运输 中的应用 1 0 7 步电动机的供电频率， 可以改变其 同步转速 ， 从而实 现调速运行， 以达到变频器较高的整体效率 。 通 过 以上 几种 启 动 方 法 的 比较 分 析 可知 ， 液力 偶 合器 系统 无法 实 现 多 电 动机 功 率 平 衡 ； 可 控 硅 软 启 动虽 然 也可 以达 到 较 高 的 传 动效 率 ， 但 是 和液 力 偶合器启动系统一样存在功率平衡 的问题 ； 而使用 变 频驱 动技 术则 可 以较好 地解 决功 率平 衡 问题 。 2 实 际生 产 中带式 输送 机 出现 的问题 以老 石旦煤 矿 为例 ， 1 7号集 中运 输 巷 2部 带 式 输 送机 整机 长度 为 3 4 0 m， 宽 度 为 1 ． 2 m， 上运 倾 角 为 1 6 。 ， 运 量 为 7 0 0 t ／ h 。设 备 原 启 动方 式 为 可 控 硅 软 启动 ， 空 载时 前机 电流 为 4 O A 左 右 ， 后 机 电流 为 5 0 A； 带 载 时前 机 电流 为 9 0 A， 后 机 电流 4 5 A； 最 大 负载 时前 机 电流为 1 0 5 A， 后机 电流 为 7 O A。前 后 机 电流差 别 在 3 5 以 上 。原 使 用 调 速 型 摩 擦 式 偶合 器连 接 驱动 设 备 ， 存 在 效 率 低 、 不 能 调 速 运 行 、 非线 性 、 启 动 电 流 大 等 缺 点 ， 而 且 由 于 启 动 加 速 度 大 ， 导致 输送 带持 续 波 动 ， 张力 特 性 较 差 ， 无 法 为 长 距离输送 的动态优化和安全启动提供有效保证 。 3改造 措 施及应 用效 果 3 ． 1改 造 措 施 从生 产 现 场 的数 据 可 以看 出 ， 老石 旦 煤 矿 2条 输送 带均 为机 头双 驱 ， S型 包 角 ， 都 存 在严 重 的功 率 不平衡 问题 。2部带式 输 送机 电 流差别 达 到 3 5 以 上， 前 电动机 由于负荷过重 ， 多次 出现减速箱 故障， 给公 司造 成 了很大 的损 失和 困扰 。经 过几 种解 决 方 案 的 比较 ， 鉴 于变频 启 动 的优势 ， 提 出 了采 用变 频技 术 的改造 方 案 。带 式 输 送 机 变 频 控 制 系 统 结 构 如 图 1所示 。方案 配置 滤 波 电抗 箱 1台 ， 整 流 回馈箱 1台 ， 逆 变箱 2台 ， 操作 台 1台 。 A C1 1 4 0 V 馈 电开关 l l滤波电 抗箱l 。 l 控制 l l I 一 围 ’ I 雹 l 号 电动机 2 号 电动机 图 1 带式输送机 变频 控制系统结构 1 整流 回馈 。因现场 供电电压 比较 高 ， 超 出 普通变频器的供电电压要求 ， 普通 的二极管整流会 造成变频器直流母线 电压过高故 障， 故采用西 门子 整流回馈作为变频器 的公共 电源， 通过全控桥整流 将直 流母 线 电压 限制 在 合 理 范 围 内 ， 既满 足 了变 频 器 电源要 求 ， 又实现 了变 频器 的四象 限运行 ， 提高 了 设备 可靠 性 。 2 滤 波单 元 。 网侧 配 置 有 1台滤 波 电抗 箱 ， 将 整 流 回馈单 元与 变频器 运 行时 产生 的谐波 电流 滤 波 ， 降低对 电源 的影 响 。 3 主从 同 步 ， 功 率 平 衡 。采 用 矢 量 控 制 变 频 调速 ， 使 主从 同步 、 功率 平衡 的功能 真 正实现 。 双机或多机同时控制一条输送带时， 所有带式 输送机采用无传感器矢量控制 ， 将其 中 1台输送机 设置 为主 机 ， 其 他 输 送 机 设 置 为从 机 。主机 采 用 速 度控制 ， 从 机采 用 转 矩 控 制 。主 机将 当前 输 出 转 矩 也可以是输 出电流 通过 C AN总线传递给从机 ， 作为从 机 的主 转矩 给 定 ； 从 机 同时 接 收 主机 当前 运 行 频率 ， 并 与 当 前 其 运 行 频 率 进 行 误 差 P I D 计 算 ， 作为当前给定转矩的一个调整量 ， 最终达到主从机 之 间的 同步控 制和 功率平 衡 。主从 机功 率平衡 控 制 原 理如 图 2所示 。 4 带式输送机启停。带式输送机的启动重点 是解决重载启动问题 。运用变频器 的软启动功能 ， 将 电动 机 的 软 启 动 和 带 式 输 送 机 的 软 启 动 合 二 为一 ， 通过 电动 机 的慢速启 动 ， 带动 带式 输送机 缓慢 启 动 ， 将 输 送带 内部贮 存 的能 量缓慢 释放 ， 使带 式输 送 机在启 动 过程 中形 成 的 张力 波 极 小 ， 几 乎 对输 送 带不造成损害。由于采用了矢量控制 ， 重载启动时 启 动平 滑 、 转矩 大 ， 没 有 冲击 电流 。 3 ． 2应 用 效 果 改 造后 经过 2个 月 的试 运 行 ， 老 石旦 煤矿 1 7 号 集 中运输 巷 2部 带式 输送 机整 机未 出现 改造前 的 问 题 ， 运行 效 果 良好 ， 主要表 现在 以下几 个方 面 1 平 衡 功 率 。2部 带 式 输 送 机 空 载 时 ， 主 从 电流误 差在 6 A 以 内 ， 重载 时在 5 A 以 内 ， 功率 平衡 率 在 9 5 以上 。表 1为 改 造 后 带 式 输 送 机 全 天 运 行 的主从 机 电流数 据 ， 从表 1 可 看 出 ， 改造 后主 从机 功率 基本 平衡 。 2 减 小 电能 消耗 。一般 情 况下 电动机 在 重载 运行时功率因数较 高， 可达到 0 ． 8 5以上 ， 空 载时较 低 ， 一般在 0 ． 5 ～O ． 6 。而变频器工作特性决定 了其 在任何时候都有很高的功率 因数 ， 可达到 0 ． 9以上。 2部带 式输 送机 采用 2台 2 5 0 k W 的 电动机驱 动 ， 改 造之前 电动机功率因数 为 0 ． 8 5 ， 每天工作1 4 h ， 电 动机实际功率约为 8 0 ， 消耗电能约为 1 0 8 工矿 自动 化 2 0 1 3年 第 3 9卷 图 2 主从机功 率平 衡控制原理 表 3 1 7 号集中巷改造后的 2 部带式输送机 设 备维 护量 及停 机率 ， 提 高 了生产 效率 。 全天变频运行数据 A 时间 主机 电流从机 电流 时间 主机电流 从机电流 l o o 1 4 7 1 5 1 1 5 o o 5 5 5 8 2 o o 1 3 3 1 3 7 1 6 o o 6 4 6 9 3 o o 1 2 4 1 2 8 1 7 o o 6 2 6 5 4 o o 1 5 3 1 5 6 1 8 o o 8 0 8 3 5 o o 1 4 0 1 4 4 1 9 o o 9 0 9 4 6 o o 1 2 0 1 2 4 2 0 o o l o o 1 0 4 7 o o 9 4 9 7 2 1 o o 1 1 5 1 1 7 8 o o 5 9 6 3 2 2 o o 9 4 9 7 9 o o 6 5 61 2 3 o o 1 2 0 1 2 3 1 o o o 6 0 64 2 4 o o 1 3 0 1 3 4 2 5 0 k W 8 0 O 1 4 h ／ o ． 8 5 ≈3 2 9 4 k W h 采 用 变频 技术 后 消耗 的 电能约 为 2 5 0 k W 8 0 9 ／ 6 1 4 h ／ o ． 9 2 ≈3 0 4 3 k W h 则改造后系统每天节约电能为 2 5 1 k W h 。 3 降低停机率 ， 延长机 械和输送 带寿命。改 造后系统实现了空载及重载平 滑的软启动 ， 做到功 率平衡 ， 降低 了对输送带的冲击 ， 从而减少 了机械故 障率 ， 延长了输送带及其他机械设备的寿命 ， 降低了 4 结 语 应 用 变频技 术 对老石 旦 煤矿 带式 输送 机控 制 系 统 进行 改 造后 ， 系统 加速 时 间任 意可 调 ， 满 足真 正 意 义上 的软启 动 ， 延长 了输 送带 寿命 ； 具 有高 精度 转矩 控 制 、 重 载平稳 启 动 、 对 电 网基 本 无 冲击 、 主从 功率 平衡的特点 ， 降低了机械磨损和故障 ， 提高了功率因 数及整体传动效率 ， 节约了电能 。 参考文献 徐鲁辉 ， 李福东 ， 张超 ， 等． 多机驱动带式输送机 功率平 衡 的研究 与分 析[ J ] 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