矿用皮带输送机节能优化研究

2018-07-06郑宝峰

机械管理开发 2018年6期

郑宝峰

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县 033602）

1 研究背景

作为煤矿生产运输的主要设备，皮带输送机正朝着大运量、长距离、高带速、节能化方向发展。通常长距离皮带输送机需要多台大功率电机同时驱动，而在电机选择时，通常要考虑25%～40%的富裕系数，同时受到工作面采掘不平衡影响，输送机载荷也是不均匀的，因而其实际运行过程中处于满载、轻载、空载三种不同状态之中。若输送机带速与其运量不相匹配，则会导致能源的浪费，因此如何减小输送机运行过程中的能源消耗，降低运输成本，对提高煤炭企业经济效益具有重要作用。

2 皮带输送机启动过程中的节能优化

长距离皮带输送机由多台交流变频电动机驱动，受到各种因素的影响，会出现电动机功率不平衡现象，从而导致电机负荷分配不均，严重时可能会烧毁电机。因而需要采取一定措施对输送机功率平衡进行控制。

电机平衡受到静态和动态两类因素的影响，静态因素取决于输送机原始设计参数，良好的设计可使静态功率平衡达到良好的效果；动态因素即输送机运行过程中瞬时不平衡状态，对动态功率不平衡现象能够及时做出响应则可取得良好的效果。影响皮带输送机功率平衡静态因素主要有：滚筒围包角、输送带与滚筒间的摩擦因素、电机特性、传动比及滚筒直径差异等，因此输送机在设计时应严格控制以上参数。动态因素主要有：输送机运行阻力、电动机输出的电磁转矩等。具体生产实践中，在输送机静态参数已经确定后，可通过供电频率来进行电动机功率平衡的调节[1]。

传统电机功率平衡控制有并行控制和主从控制两种策略。并行控制即对多台电动机设置统一的参数，所有电动机按照设定参数运行，主从控制即主要对主机参数进行设置，而从机通过对主机输出进行跟踪，最终实现同步运行。并行控制具有抗干扰性较差的缺点，而主从控制同步运行性差。

基于耦合补偿的功率平衡方法，通过对每台电动机运行参数变化值进行采集，对其运行参数差异进行分析，针对性地进行补偿。这种方法同时考虑了单机驱动系统给定转速与实际转速之间的误差及不同电机间的同步误差。只要运行系统中任何一台电机发生变化时，都会对整个系统发出反馈。对于双机驱动电动机，通过控制器的双向补偿作用，可提高系统的同步精度。

对于双机驱动系统，通过对两台电机的转速和电流分析以得到其运行状态。若两台电机分别处于发电和电动状态时，对其负载率进行比较，当处于电动状态的电机载荷较大时，说明此时输送机对于电机而言是负载，需要增加牵引力，通过控制系统增大处于发电状态的电机频率，将其由发电状态转为电动状态。当处于发电状态的电机载荷较大时，说明此时输送带转速高，带动电机钻孔，因此需要减小电动状态下的电机频率，将其由电动状态转为发电状态，进行功率平衡控制。

3 皮带输送机变频调速节能控制策略

皮带输送机节能技术主要有减电机运行节能技术、异步电机Y-Δ接法变换节能、降电压技术及变频调速节能方法等。通常可通过调速来实现电动机节能，变频调速通过改变电源频率来进行速度调节，具有响应速度快、输出稳定和节能等优点，成为极具发展潜力的技术。由于矿用变频器造价成本高、进口依赖性强，我国大多数煤矿生产企业多采用工频拖动。采用工频恒速运行方式会存在如下问题：若输送机空载或者轻载会造成电能浪费，机械和输送带间的摩擦系数较大。为了提高输送机的运输效率，减少电能消耗，需采取措施对输送机的带速进行调节。

皮带输送机由电机驱动运转，运行过程中输送带与滚筒、托辊等都会产生阻力，通常来说输送机阻力主要有：输送带在托辊上的摩擦阻力、物料的挤压阻力、托辊的运行阻力、输送带的弯曲摆动阻力等。对于具体皮带输送机而言，对皮带输送机功率影响的主要因素是输送机的运量和带速，当运量一定时，输送机功率与带速成正比，同理，若输送带带速提高，则克服阻力所消耗功率也相应增加，因此，可以通过降低带速来降低输送机功率消耗，最终实现节能的目的[2]。

皮带输送机运量大小与生产地质条件及工艺设备有关系，因此可通过研究输送带带速与物料充填率的关系来降低输送机能耗。在运量一定的情况下，输送带带速越低，物料的充填率越高，因此可通过降低带速来提高物料充填率。在输送量下降的情况下，若速度不变则会增大能量消耗，输送带带速按设计的最小值予以选取。

4 皮带输送机控制器仿真系统设计

皮带输送机仿真控制系统主要由高速接口模块、实时仿真模型及PC监控系统三部分构成，其中实时仿真模型作为核心部件，具有实现仿真计算的功能，高速接口模块通过高速计算来实现仿真模型和实物之间的数据转换，PC监控系统是一个人工操作及显示平台，能够实现对仿真模型参数的实时修改，同时能够显示仿真系统的运行状态及控制效果[3]。其运行过程如下：首先仿真模型按照原始设置参数运行，通过高速接口将运行结果传输到控制系统的实物中，在PC监控系统平台显示；再通过高速接口模块将控制量算法传输给仿真模型，使其按照新的算法进行计算；最后对控制器参数进行实时调整。

皮带输送机硬件仿真系统是将输送机系统全部用数字实时仿真模型来替代。替代建模方案主要有：用模型替代输送带，而输送机其余部位仍用实物设备。采用该方案大量保留输送机的实物部件和传感设备，较好地还原了输送机的外部运行环境，具有较高的真实性。由于采用了大量的传感测量设备，需要另外设计数字转换电路，这样会降低信号的实时性和真实性。将皮带输送机整个系统均用数字化仿真模型来替代，系统运行过程中所需信号均通过高速接口与仿真模型进行交换，适于实验室内进行。该方法需要建立整个输送机仿真模型，对建模的要求相对较高[4-5]。

基于上述分析研究，基于现有实验设备，将输送机和异步电动机建立为Simulink模型，控制器通过OPC通讯和PLC给定将控制信息传递给仿真模型，而控制器所需要的各种状态信号通过OPC通讯反馈给控制器，整个过程如图1所示。