长距离皮带输送机变频控制实践应用

武 耀

（同煤集团马道头煤业有限责任公司， 山西 大同 037000）

1 皮带输送机的特性分析

1.1 张力特性分析

在输送机运输煤炭时进行停车减速、启动加速动作期间，运输机上的皮带会产生张力，而这种张力会形成一种较为复杂的运动力学，进而使整个系统出现叠带、撒料、谐振条带甚至是机械破坏、皮带断裂等严重现象，其根本原因是皮带在作业中产生了一定的动态张力，动态张力会在皮带上进行叠加并进行有害传播，另一原因是存在于输送机皮带上的纵/横向震动。为了有效解决输送机出现的这种不稳定情况，须对张力波造成的有害传播进行有效抑制。

1.2 负载特性分析

在皮带输送机作业期间，会收到生产作业中形成的静态、运动、附加阻力的影响，而阻力矩的构成因素多且复杂，在实际中运用理论难以计算出这些因素。一般情况下，在对输送的负载进行分析时，将电动机中的转子轴所受力矩设为恒定值，其中包括传动惯量以及各种阻力。对于负载特性，可以利用分段函数进行描述：

式中：TLe代表额定的负载力矩，N·m；TLq表示最大负载力矩，N·m；n1为额定负载时的转速。公式（1）表明，当电动机达到n1转速期间，负载趋向于TLe（恒力矩）[1]。

1.3 输送机的驱动模型

为了建立输送机的驱动模型，需要对输送机运行阶段的临界状态做出假设，即：当输送机在运行阶段出现皮带在滚筒上打滑的临界状态时，皮带的弹性变形、振荡可以忽略，在这一过程中，皮带线速v同主电极的转速n就会产生一种固定比例的关系，即n=kv，其中k为常数。

在长距离皮带输送机进行作业的时候，产生皮带剧烈振荡的主要原因是皮带输送机启动后的张力不能均匀分布，同时张力波会在皮带上进行叠加和有害传播，因此就需要对优化后的S型曲线模型进行加速启动。

实例中的马道头矿综采工作面在生产中使用的长距离皮带输送机，由于距离较长，皮带弹性有较大程度的累积，因此特对马道头矿综采工作面输送机的驱动模型在启动之前设置预张紧过程。在对其进行改进并确定皮带内部的张力可以均匀分布后，以优化的S型曲线模型为基础进行加速启动。式（2）为S型曲线模型：

式中：v0为皮带的线速度，vm为额定带速，T为皮带输送机的启动周期，a 为加速度，t0、t1、t和 t2为时间点。在实际生产的过程中，长距离皮带输送机采用预张紧后的S曲线模型进行驱动，有效提高了低速性能、启动性能，有效延长了启动时间。

2 变频驱动的应用

马道头矿综采工作面采用的皮带顺槽长2023m，长度较大，因此采用多点变频、系统集中控制的方法对输送机进行驱动，该方案的组成部分涵盖了上位机集中控制系统、变频拖动控制和OLC控制系统。

2.1 变频驱动系统组件

针对马道头矿综采工作面距离较长、煤矿运梁巨大等特点，对工作面的皮带输送机的驱动系统采用光线变频驱动系统。光纤变频驱动系统包含3台1 140 V/315 kW电机，同时采用“一拖一”抵押变频方式对3台电机进行控制。采用光纤传输的连接方式来弥补皮带头部和中部驱动距离较远的弊端，有效实现主从电机控制模式以及电机与电机之间的数据通讯。

马道头矿综采工作面使用的皮带输送机，采用PLC的S7-200可编程控制系统对电机与电机、电机与变频器之间的数据传输进行控制。由PLC进行信号的采集、处理、控制以及接收工作。PLC的功能可划分两部分，一部分是接收现场多个变频器发射的信号，随后将信号传送至上位机显示，另一部分是PLC接收上位机发出的指令，随机将指令发给作业现场的3个变频器，变频器接收到信号后根据指令执行工作，从而实现对多个设备的集中控制。

通过使上位机和变频器之间进行数据通讯，实现了电极的软启动/停车、调速控制以及采集运行，另外还实现了将各种参数显示在上位机中，例如故障状态参数、电流参数、电压参数以电机的转数等[2]。

2.2 变频驱动的功能

采用皮带机多电机驱动，几台驱动电机之间的功率平衡、速度同步问题，是皮带机能否正常运转的关键因素。屯兰矿工作面使用的皮带机有效利用了变频器具备的主从功能，实现了多台电机速度同步、力矩平衡。

针对采用多台电机驱动出现的速度、力矩不平衡现象，可以对控制系统进行调整：主传动控制模式采用闭环速度控制方式，从传动控制模式采用闭环力矩方式，将主传动和从传动利用光线进行连接以及对变频器的参数进行合理的设置。

在输送机进行采煤作业期间，若输送机主传动出现故障，可有效利用变频器的连锁控制，把从传动自动提升为主传动，如此即可确保输送机持续、正常运行。

在多个驱动中选一台设置成速度闭环控制，将其作为主传动，其他驱动均作为从传动并设置成转矩闭环，这样就形成了一套速度平衡并且多点功率平衡的传动系统[3]。

3 结语

皮带输送机凭借其可靠性高、成本低、结构简单的特性，在煤矿生产中已被广泛应用，承担着煤矿生产中转载输送的重要工作。随着我国特大型矿井、长距离工作面开采数量日益增加，对煤炭运送量的要求更高，长距离皮带输送机也逐渐向着多点驱动技术、大功率方向发展。研究以变频器作为输送机调速的驱动装置，可以使长距离输送机在采煤作业中实现软停车、软启动功能，并且对多个驱动点的速度、功率可以起到平衡的作用，同时还可以有效抑制皮带输送机作业期间的动态张力波，有效减少皮带对运输设备的危害，提高工作面煤矿运输作业的整体效率。