皮带输送机永磁直驱辊的设计与控制技术*

田进宝

(西山煤电东曲煤矿信息中心，山西 古交 030200)

0 引 言

随着煤炭开采企业效益的提升,开采量日益上升，对煤炭运输系统的要求也随之逐渐提高，大功率、大载重、高带速已经成为煤矿皮带运输机的主要发展方向。但国内皮带运输机的设计与控制技术有些滞后，很对运输产品和技术仍然依赖进口。皮带机的主要结构采取异步电机带动减速机的方式，这种方式存在着诸多共同缺陷：首先，电机功率的选取要按照工况最大功率，但使用中电机功率只能发挥出20%～30%。其次，存在谐波损耗和转差损耗，导致电机的负载效率较低，而异步电机的负载效率一旦低于0.7，其工作状态明显下降，而导致皮带机的运输效率降低，同时造成大量电能的浪费[1]。再次，传统的控制模式下电机启动电流大，设备磨损快。笔者通过对运输量和传动功率之间内在关系的分析,得出合理的速度控制模式,达到减少物料对皮带的冲击和摩擦的目的,解决了皮带运输机功率损耗大，皮带磨损快的问题，对煤矿的远距离运输技术发展具有重要意义。

1 皮带运输机永磁直驱辊传动系统构成

皮带运输机的原传动系统如图1(a)所示，由异步电机、液力耦合器、减速机、联轴器、皮带辊等元件组成，结构复杂、占地面积大，因此容易出现故障、维修不便、传动效率低等缺陷[2]。文中提出的皮带运输机整体结构如图1(b)所示，由永磁直驱辊、从动辊、皮带组成，传动环节得到了大幅度简化，整体占用空间减少；故障点随着系统的简化也减少，所以故障率降低，维护方便；永磁直驱辊直接带动皮带，中间没有任何功率损耗，所以传动效率提高[3]。

图1 皮带运输机传动系统对比

2 系统电路设计

2.1 硬件设计

文中提出的永磁直驱辊的驱动形式仍然采用变频技术，其电路分别由高低速控制模块、温度控制模块、相序识别模块以及变频器和输出电抗器组成的主电路等四部分组成[4]。

(1)主电路部分 主控制电路主要由永磁直驱辊电机、变频器、输出电抗器三部分组成，选用高性能电流矢量变频器，其型号为MD500E，该变频器的特点是动态性能良好、组合功能强大、具有低速高转矩输出性能、稳定性好、过载能力强等，与永磁直驱辊电机之间有非常良好的匹配性[5]。

(2)温控模块 本系统的温控模块由信号巡检仪和温度变送器所构成，温度变送器埋设在线圈绕组端部，巡检仪对变送器传递的数字信号进行巡检。巡检仪内设置T1和T2两个温度阈值，当测量温度上升至T1时，巡检仪给报警灯输出一个开关信号；超过T2时，会给变频器发出一个开关信号，变频器收到该信号后自动控制电机停止，同时发出声光报警。以防电机内部温度过高造成线圈和元件的损坏[6]。

(3)相序识别模块 相序识别模块的主要元件是相序保护继电器，可以自动识别线路相序，避免在安装和检修过程中反接相序而导致电机反转、皮带逆行而造成事故。

(4)高低速控制模块 采用型号为MD38PC1可编程卡、功率变送器与变频器配合来完成电机的高低速控制，MD38PC1可编程卡是一款集成PLC功能的数字信号处理扩展卡，能实现与MD500E变频器无缝连接，同时可以访问变频器内部的特殊变量和通用功能码，相对使用PLC控制变频器，可编程卡的性价比更高，降低了成本[7]。功率变送器是一种多功能型对无功或有功功率检测和计量的智能仪表，在本系统中的作用是把永磁直驱辊电机的有功功率转化为0～5 V的电压信号，再通过A/D转换，变频器接收后对功率进行比较，然后输出控制信号给电机，实现转速控制。

2.2 硬件连接

系统硬件连接如图2所示，变频器额定功率为75 kW，电压等级380 V。由于永磁直驱辊电机属于外转子结构，所以无法安装编码器，所以使用无速度传感器进行转速的检测[8]。通过设定报警阈值来实现停机、报警、加速、减速等功能。

图2 系统硬件连接图

对变频器的基本参数和I/O参数的初始设置如表1所列。

表1 变频器参数设置

3 皮带输送机控制系统设计

带式输送机的使用工况属于恒扭矩负载，使用皮带的直线运动速度V和运输量Q可以确定运输总功率，在运输量一致的情况下，运输机的输出功率与皮带的运行速度是正比例关系[9]。在不同运输量条件下，皮带运行速度和功率的关系如图3所示。

图3 功率与带速关系曲线

从上图可见，在运输量一定的情况下，提高运输速度，则皮带运输机所需要的运行功率P也要提高，为了降低功率，减少电能消耗，那么只能降低皮带的运行速度。而皮带的运行速度降低也不是无限制的，因为皮带的运行速度过低会使物料的线密度上升，从而增大皮带张力。所以，实现皮带运输机的功率消耗，必须满足皮带的宽度和强度为前提，选取适当的皮带运行速度[10]。若假设皮带所能承受的最大物料线密度为qm，则运输量和皮带运行速度之间可用以下公式表示：

(1)

式中：Q为皮带运输机的运输量；V为皮带的运行速度。

根据公式(1)，在固定皮带宽度不变的情况下，保持qm恒定，能够确保皮带的安全运行，不会出现物料堆积和皮带断裂的事故。但在实际使用情况下，运输量不可能保持不变，皮带机运输机也不能因运输量的变化而频繁启动和停止，这不仅会造成电机的损伤，而且皮带在启停过程中频繁涨紧松弛，其寿命也会受到很大影响。所以需要将皮带的运行分为两个段速，此时运输量与皮带运行速度之间的数学关系如图4所示。

图4 运输量与带速的关系曲线

由上图可知，当运输量逐渐增大过程中，不大于Q1时电机频率为f1，刚超过Q1时，电机频率仍然保持控制为f1，即电机不会立刻加速，继续以低速度运行，当运输量大于Q2时，电机频率变为f2，电机转速提高，快速的将物料带走，降低线密度；当运输量逐渐减小时，运输量低于Q2时电机频率仍保持f2，电机告诉运行，当低于Q1时电机开始减速。这种控制方式使运输量和电机转速之间产生滞回关系，防止电机出现频繁加速、减速和启停动作，也避免了皮带的涨紧、松弛，能够提高电机的传动效率，减少皮带的磨损，提高使用寿命。

4 结 语

我国皮带机传动和控制技术相对滞后，皮带输送机常规驱动和控制方式存在诸多缺陷，导致出现运送效率低、皮带易损坏等问题。此次设计了永磁直驱辊皮带输送机驱动系统，简化了传动结构、减少占用空间。通过对运输量和传动功率之间内在关系的分析，设计了控制系统，提高传动效率、减少物料对皮带的冲击和磨损。对皮带运输机输传动系统及其控制方法的提升具有重要意义。