智能驱控系统在矿用带式输送机中的应用研究

廖永游

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖一矿，新疆 哈密 839000）

运输系统是否稳定、高效对矿井生产影响较大[1-4]。目前大多数矿井运输大巷的带式固定输送机以及工作面的可伸缩式输送机通常都配备以异步电动机、变频器、减速器以及联轴器为主的组合装备，存在传动效率较低、传动链较长、电机能耗高、低可靠性、高噪音、设备维护困难以及液压油需定时更换等问题。因此，想要提高运输系统的运输能力，实现“大功率、长距离、高负载”，最重要的问题是解决动力模式、智能控制等一系列问题[5]。采用的智能驱控系统，不但能解决传统运输模式的一些弊病，同时也提升了机械装备的技术含量，为今后矿井运输系统自动化和智能化打下了良好的基础。

1 PVD 智能驱控系统结构原理

1.1 系统结构

带式输送机采用PVD 智能驱控系统是针对散状物料运输系统的驱动及智能化控制提供的解决方案。如图1 所示，其主要组成部分包括永磁电动机、变频器以及控制装置等。辅助设备主要包括制动器、联轴器、冷却装置、制动器和逆止器等。PVD 智控系统与传统运输系统的主要区别在动力模式、智能驱动和控制等方面。

图1 PVD 智能驱控系统组成

1.2 智能驱控系统的基本原理

带式输送机采用PVD 智能驱控系统是为了以带式输送机机械特性及运输系统运行工况为研究目标，综合解决系统的动力来源、可控运行、智能控制等问题，实现复杂工况下输送系统的安全可靠稳定运行。PVD 智能驱控系统包括永磁电机和配套变频器两部分，驱动模式采用永磁电机-负载模式。

2 PVD 智能驱控系统主要特点

（1）系统启动平顺，可实时调节。永磁变频电机的动力输出非常平滑，直接连接传动滚筒，缩短了整体传动链，使系统运行相对平稳，运行过程中振动小、噪音低、可靠性高。变频技术实现了渐变式启停车功能，可保证匀速启动，不但解决了传统电机瞬时启动大电流对电网带来的冲击，同时也减少了因启停时转矩剧烈变化导致的系统强烈冲击，可有效减少电网故障以及机械故障。

（2）采用多机平衡控制，能耗降低。本系统无减速电机和液力变矩器，传动效率高，接近100%。另外永磁电机无需励磁，减少能源消耗。永磁电机可实现25%～120%负载范围内的高效运行，特别是在低速、低载荷状态下优势显著。传统的运输驱动系统传动效率约为85%，异步电动机能耗为国际IE1 级。本系统传动效率约为94%，永磁电机能耗为国际IE4，整体综合节能效率超过6%。而且，永磁电机匹配的控制方式能够恒定输出2 倍于额定负载转矩的启动转矩，相对于传统驱动的异步电机在同样条件下启动转矩仅为额定负载的55%，适应性更好。

（3）采用输送机自检模式，适用于低速、安全运转。本系统在零速时可满转矩输出，从而实现重载状态下启动；双闭环矢量控制可实现驱动多功率平衡；在变频控制下，可实现输送机“S”曲线启、停；变频模式下，可解决下运制动和紧急停车等问题。

（4）故障率较低。PVD 智能驱控系统减少了大量中间设备，大大减少了设备维护量，在降低了维护难度的同时，也拉长了维护周期，减少了维护成本。

3 PVD 智能驱控系统原理

本系统控制逻辑流程如图2 所示。

图2 系统控制逻辑图

（1）系统启车。正常启车采用远程控制，首先由控制系统向PVD 控制箱发送信号，控制箱会对整个系统进行自检，出现故障会自动报故障并停车，同时显示故障点。若无故障，若不存在故障则首先启动冷却装置，等水泵电机有运行后返回，在延时一定时间后再启动风扇电机，若水泵电机无运行则报错停机；风扇电机启动运行返回之后，延迟启动变频器，无运行则报错停机。变频器启动后，无返回报错停车，在系统设定启动时间到时后，控制器对整个系统进行分析，看运行参数是否符合要求。若不符合要求则报错停机。

（2）系统停车。正常停车同样采用远程控制，首先由控制系统向PVD 控制箱发送信号，控制箱发送停车信号至变频器，待延迟后停止风扇电动机，再延迟一段时间停止水泵电动机。

（3）非正常停车。非正常停车包括由于故障发生的停车或者急停等。非正常停车信号发送后，控制箱同时向变频器、水泵电机和风扇电机开关等发送信号停车。

4 PVD 智能驱控系统应用效果

4.1 控本提效，实现运输系统快速安装

比起传统的异步电机驱动系统，PVD 智能驱控系统在设备投入上成本稍高，但PVD 智控系统在建设和施工上节省了大量的资金、时间和人力成本。

PVD 智控系统的电机采用直驱方式，相比异步电机节省了中间的所有传动环节，因此整体体积较小，折旧大大减少了巷道修护和机电硐室的建造费用。本次大南湖一矿总计安装了5 套PVD 指控系统驱动装置，可节省五个机电硐室。按照机电硐室单价8 万计算，本次节省的机电硐室建造费用约为40 万元。

传统的运输系统驱动装置数量较多，需要大量的土建工作。相比而言PVD 智控系统仅有电机需进行土建工程，预计每套设备节省土建费用5 万元，则本次永磁变频同步直驱电机设备在基础土建方面较传统方式节省费用25 万元。

本系统采用直驱方式，整套设备仅电机和滚筒需要同轴安装，其他设备不需要高精度安装，这就大大降低了安装难度，同时节省了大量安装时间，提高了设备的安装效率，实现了运输系统的快速投产。

4.2 节能降耗，减少设备运转费用

我国煤炭企业的生产模式导致了带式输送机选择电机功率会有大量富余。通常若使用传统电机作为驱动模块，则输送机总的装机功率应为实际运行功率的1.4 倍左右，那么电动机大多数运行负载不足额定负载的60%，并且实际负载越低，运行效率就会越低。

按照以往异步电机驱动装置的使用情况，其整体的运行效率大概是80%。相比之下永磁同步变频直驱电机在负载为20%～120%的情况下，运行效率约94%。大南湖一矿本次采用的5 台同步直驱电机总功率3×560+2×250=2180kW。通过实际测试，直驱电机的节能效率在15%～20%之间，那么即便按照最低节能效率15%计算，设备每天运行时间约21h，平均每年运行330d，则本次安装的PVD智控系统可以电费6867 元/d，即226.611 万元/a。设备负载率与效率和功率因数关系对比图如图3、图4 所示。

图3 设备负载率-效率对比图

图4 设备负载率-功率因数对比图

4.3 降低设备维护和运行成本

永磁变频电机采用直驱方式，节省了传动设备，大大减少了输送机维护工作量。按照以往的统计数据，不论是选用“变频器-减速机-异步动机”、“ 异步电机-CST”还是“异步电机-减速机-耦合器”驱动结构，其设备的运行维护都要消耗大量的人力物力。在采用PVD 智控系统之后，每年大约节省人工成本和材料成本约12 万元。

4.4 提高输送机检修效率

安装PVD 智控系统后，变频电机配合变频器可使带式输送机长时间低怠速运行，方便验带和检修工作，大大提高了输送机检修、使用效率。

5 结论

大南湖一矿将PVD 智控系统应用于运输大巷的DTL120/180/2×250 固定带式输送机和工作面的DSJ120/150/3×560 可伸缩式带式输送机上的实际经验证明，PVD 智控系统采用的核心技术：变频技术、永磁直驱、智控技术已经非常成熟；其核心设备：同步变频电机、变频器以及智控装置的性能和品质也相当可靠。因此，本工程在新技术、新装备应用上取得了成功。

PVD 智控技术取得了良好的应用效果，节省了大量人力和材料成本，降低了安装和维护的难度，提高了运行和使用效率，具有较好的经济效益。本系统的应用提高了运输系统的科技含量，为今后矿井煤流系统进一步的自动化乃至智能化打下了良好的基础。