变频一体机断链保护在刮板输送机中的应用分析

胡学敏， 王韶伟

（山西王家岭煤业有限公司， 山西 忻州 036604）

引言

刮板输送机是煤矿生产过程中的重要运输设备之一，被广泛应用于综采和综放工作面以及一些地面运输环境中，是煤矿大型机械化开采的主力设备。刮板输送机不仅可以运输物料，还是采煤机运行轨道和液压支架的推移支撑点，因此刮板输送机的可靠、安全、高效运行直接关系到煤矿的生产效率[1]。由于煤矿生产环境恶劣，刮板机链条需要承受煤料的冲、撞、砸、压等外力作用，同时还要承受刮板长期对链条的磨损，因此刮板机容易出现断链问题，一旦断链就会造成停产事故，影响综采设备的开机率。如何更好地保护刮板机链条减少断链事故的发生，以及发生断链后如何确保快速停机避免拖链是刮板机控制系统应用中的难题。本文从变频一体机的断链保护检测原理及保护功能实现方法两方面阐述如何实现变频一体机对刮板输送机的断链保护。

1 变频一体机的断链检测原理

刮板机链条在发生断链时，由于断链前后刮板机驱动负载会有比较大的波动，因此断链后变频一体机的输出电流会有大幅的跌落，检测一体机的输出电流在一定时间内的变化幅值，当电流变化率超过预设保护值，变频一体机停机保护实现断链保护功能。变频一体机的电流变化率检测算法如下：

式中：Ideviation为电流变化率；Iaverage为程序执行周期内的10 次输出电流均值；Iact为实时检测的输出电流值；Ttest为检测保护时间。

当Ideviation超过预设的电流偏差保护值（百分比），且超过检测保护动作时间，则变频一体机执行断链保护功能，停机保护。具体的偏差保护值以及检测保护时间通过在山西王家岭煤业18105 综采工作面的实际运行情况进行数据分析。

2 断链保护的数据分析及功能介绍

2.1 工作面系统组成

王家岭煤业18105 综采工作面采用SGZ1000/3×1000 型刮板输送机，主要技术参数：输送能力为2 500 t/h，工作面长度为240 m，平均采高为7.15 m，输送机驱动设备采用YJVFG-450L-4T（1 000 kW/3 300 V）变频一体机搭配德国布劳提干KPL45 型减速机带动刮板机链轮运转，该工作面于2019 年4 月投入运行。工作面系统布置图如图1 所示。

图1 18105 综采工作面设备布置示意图

2.2 断链保护的数据分析

2019 年1 月9 号刮板输送机出现断链故障，变频一体机有效实现了断链保护功能。一体机控制箱记录了发生断链故障的实时数据，数据曲线如下页图2 所示。

图2 中曲线1 为机尾一体机（主机）电流曲线，曲线2 和曲线3 分别为机头平行和机头垂直一体机电流曲线。发生断链故障的故障点为机头下链断开。变频一体机经联轴器与减速机连接驱动链轮旋转，带动与之啮合的刮板链条连续循环运转[2]。在刮板输送机正常运行时，机尾一体机链轮带动底链上翻实现上翻链过程，机头一体机链轮带动顶链下翻，实现下翻链过程。当链条在机头发生卡链时，机尾一体机连续多次高转矩输出拉动底链，链条在07：26：27发生断链，在07：26：07—07：26：35 这一时间段内，机尾一体机输出电流波动最大，最大瞬时值为480 A，最小电流值为100 A，且机尾三次电流跌落时间在1～2 s 以内。对比上图曲线可以看出，断链瞬间，机尾电机存在3 处电流下降状况。斜线AB：（492-134）/492=72.76%；斜线A'B'：（482-140）/482=70.95%；斜线A''B''：（475-121）/475=74.53%。

本次断链电流下降率均超过70%。因此，可以通过检测电流下降率来判定刮板链条是否发生了断链，进而实现停机保护，防止电机继续拖动链条，减少补链维修时间。

断链保护中，电流变化率设置为70%，电流检测时间设置为1 s。其中电流检测时间设置过高，有可能在断链过程中，错过电流高峰或低谷瞬时值；设置过低，有可能检测的电流差值较小，电流下降率计算结果低于设定值。根据12 月15 号的断链现象，设定为1 s 完全能够满足检测要求。

图2 断链瞬间电流变化趋势图

2.3 断链前的预保护功能

断链保护功能的初衷是为了减少维修补链的时间，从而提高设备开机率，保障生产效率。在对断链前后的数据对比中发现断链发生前，一体机输出电流由正常值突然上升，但是一体机的输出转速却低于设定转速，即在断链前电机出现了堵转现象。刮板输送机正常运行过程中，由于煤块卡链或片帮煤产生的瞬时堵转现象可以被接受，但是长时间堵转可能会引起断链或严重损坏刮板机结构等后果。因此在一体机中还增加了转差率保护功能，此功能可以有效降低断链事故的发生。

图3 为断链瞬间机尾电机电流与转速变化趋势图，纵坐标表示电流时，10 表示1 A；纵坐标表示转速时，1 表示1 r/min。通过图3 可以明显看出在断链发生前的瞬间，一体机输出电流瞬间增大，而电机输出转速持续降低。通过检测一体机在一定时间内的输出转速差，实现对刮板机链条的卡链保护，从而避免断链发生。

图3 断链瞬间机尾电机电流与转速变化趋势图

目前变频一体机的转差率检测方案为：在2.5 s内，输出转速与设定转速的差值超过30%，即认为现场发生可能引起断链的卡链或刮板链条摩擦问题，停机保护，避免故障扩大化。

3 结语

综采工作面刮板输送机受片帮、漏顶及其他诸多外部因素的影响，经常会出现大负载冲击或频繁重载启动的场合[3]。为避免保护功能过于灵敏造成的误保护停机故障，同时又要兼顾重载启动功能，变频一体机的电流变化率保护和转差率保护功能的保护值及检测时间都可以在控制箱的参数设置中分别设置。既保证重载启动正常，同时在运行过程中，也具备合理的电机电流与转矩上限。目前，变频一体机通过软件设计，确保一体机在重载启动过程中具备2.2 倍额定输出转矩和电流的能力；在正常运行过程中，可以通过控制箱设置最大输出转矩与输出电流。根据王家岭煤矿18102 工作面变频一体机的实际使用情况，变频一体机的断链保护值设置为70%，检测时间1 s，转差率设置为30%，检测时间2.5 s 时能够实现正常的保护功能，同时保证正常的生产。