煤矿刮板输送机调速系统关键技术探析

2022-01-19卫乐乐

当代化工研究 2022年1期

＊卫乐乐

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司山西 043300）

引言

负责矿井运输的重要设备是刮板输送机，所以刮板运输机技术进步与否极大影响了煤炭开采效率，最新的刮板输送机的新技术得到了很大的提升，近年来随着各矿井生产效能的提高，刮板输送机的应用力度也越来越大，国内很多学者也对刮板输送机进行了研究，如赵利锋[1]研究了综采工作面刮板输送机控制中防爆变频智能控制技术；吴利江[2]设计了刮板输送机智能调速方案设计；张建铭等人[3]对3X1600kW刮板输送机驱动部进行了变频改造；王海瑞[4]分析了采煤机与刮板输送机协同调速的关键技术；陈迪蕾等人[5]研究了以采煤机与刮板输送机能耗模型为基础的速度协同控制。

这些研究大幅提高了刮板输送机的自动化，智能化控制水平，但很少有学者专门针对刮板输送机的调速技术进行研究，对此本篇主要研究刮板输送机上智能调速系统的三大关键技术—变频驱动控制技术、电机功率平衡控制技术和采煤机负载协同调速控制技术，对输送机的智能调速系统主要从技术原理、实现方案和应用特点这三个方面进行研究，以便于后期对实际工作中出现的问题提供理论依据。

1.某矿井及其刮板输送机概况

以某煤矿为例，其煤层深度范围在170m到240m之间，而相应的煤层厚度在2.7m到3.8m的范围内，其厚度大都处于3.2m。经过相关人员的前期勘探发现，该煤层储藏的煤炭资源量非常巨大。当前每年计划开采的速度为8Mt，巷道推进长度设定在1500m左右，而相应的开采工作面长度大概在260m。该工程选择的工作面刮板输送机型号SGZ1000/2565，其处于正常的工作状态时，链条的速度为1.6m/s，而运输物料可以达到3000t/h。并且设置了三台电机进行驱动，单个机器的功率为855kW。该SGZ1000/2565刮板输送机并设置智能化的变频调速控制系统，因此在开展工作的过程中出现了一定的问题。主要表现在如下几个方面：

第一，在开启时往往表现出较高的电流，从而对矿井供电系统产生较大的影响。

第二，设备启动比较慢，从而导致设备受到一定的冲击，最终给设备的运行带来一定的影响。

第三，设备在运行的过程中，不论传输多少物料传送带都以恒定的速度运行，这样将会出现设备运行效率低下的现象。基于此，对SGZ1000/2565型刮板输送机进行智能化技术改造。

在那些倾斜角小于等于25°的煤层采煤工作面，不管是国内还是国外都借助刮板输送机去运输煤炭，除此之外，一些环境较为复杂的地方也会运用此种输送机。因为运输环境的不同所以输送机也有所不同，但是这种差异只存在于部件和形式上，其结构组成都是一样的。刮板输送机的优点有灵活、方便装卸、伸缩移动灵活等。其缺点是能源消耗大，部分部位的零部件消耗快，运程不大。无论什么结构，刮板运输机向远距离以及大功率目标发展都面临着很大的挑战。

2.变频驱动控制技术

变频调速技术是在电能转换基础上应用于煤矿生产的技术，由于工作环境的要求针对防止爆炸、散热以及能够抑制谐波等有更高的要求。而且运输机所处的工作环境狭窄，空气流通不好，就很容易出现燃烧或者爆炸；而且由于变频器会发出谐波，会阻碍供电和保护系统。

基于此，变频驱动就一定要防爆，散热和抑制谐波也是必须要解决的问题。在挖煤时，由于压力作用会使煤层和岩石产生剧烈改变，因此爆破可能会使岩石砸到输送机，而且还因输送机不能多次移动，多次开关机或者电流变动剧烈都会造成输送机出现爆炸，所以为防止出现这种情况就要做一个防爆外壳，且对电路的处理也要十分的谨慎。而且位于变频器上的散热部件有电抗器以及电容器等，散热不好会减少变频器的寿命。现在被大量投入使用的两种散热方式是水冷和散热管，由于矿井内空间较小，且多种因素考虑下采用了对空间条件要求不大的水冷散热方式。

基于变频器的整流管不是线性的，所以电网会产生很大的中谐波量，这就会发生电抗器受损的现象或者低压电跳闸以及非正常报警等，出现这类情况时就需要采用输出正弦滤波器而且采用底线在加装金属管接地等方法来抑制谐波。

对变频驱动的控制技术原理如图1。刮板输送机里用来驱动的电机只有在电动时才会运转，电路一般情况下都会设置为三相桥式不可控电路，由6个整流的二极管构成，并能在1140V的电压下正常使用。滤波电路的任务是运用小电感和大电容共同构成的LC滤波器把电路中的直流电进行压滤，在谐波电压频率较低时也能把电感省去，仅安装一个容量较大的电解电容就可以了。

图1 变频驱动控制技术原理图

能耗制动电路的安装是为了减弱制动时滤波电容产生的电压，减少其带来的影响，原理是并联一个可以操控开关的功率电阻在电容上，在出现泵升电压时打开功率电阻接入电路，从而去用掉多出来的能量，除此之外电阻不接入。逆变电路是由6个IUBT构成的，其功能是把电容上的直流电转换为交流电，选择IUBT类型的时候需要特别注意额定电压和电流。驱动电路的作用就是要造成的控制信号的不断放大，从而达到能够打开逆变电路的开关。

本篇所设想的变频驱动控制电路如图2展示。电流产生的电压信号经过加工处理后交由DSP的ADC接口处进行处理。光电编码器是用于检测信号的。信号不断传递后，用来控制电机的旋转，并由两个脉冲序列的到达顺序确立，而转速则由脉冲频率来定。PDPINT用来保护DSP的功率。如果电机驱动或电源逆变器发生故障时，PDPINT就会中断，PWM就会输出高阻态，该引脚就会有效中断。

图2 变频驱动控制电路图

3.电机功率平衡技术

因为采煤工作面情况越来越复杂所以也要求刮板输送机的输送能力不断加强，针对那些重型的刮板输送机来说，单电机的驱动模式就很落后了，所以很多刮板输送机的驱动都是借助两个电机来完成的。但是由于负载和链条的结构不稳定，所以就会造成两个电机之间产生偏差，严重时，甚至会造成断链或者停机现象，所以要平衡两个电机。

接下来设想所使用的机头和机尾的电机功率相同：在两边负重不一致时，通过调整机头或者机尾电机的转速从而使两者之间的转矩差缩小，维持两个电机的负重在一定范围里。假如使用三台电机：就是机头安装两个机尾安装一个，且三个电机是一样的。在煤炭开采时，刮板输送机不单电机用电，所以防止电机过载，这三个电机的总功率不能大于总功率的80%。

图3展示的是电流识别的功率平衡控制框图，机头电动机的电流i1与机尾的i2做差比较，如果△i不等于0，那么就要开启PID调节程序，PID通过调节信号来操控机头或者机尾的电流；如果△i等于0。就代表着机头和机尾的电机电流一样，就不需要PID来调节，程序暂停，直到下一次对比。

图3 基于电流识别的功率平衡控制框图

用机头采用一拖二变频器、机尾采用一拖一变频器的刮板输送机来举例子，图4展示的是其电机功率平衡系统。电动机选取的类型是可以隔爆的三相异步电动机，而且借助CAN总线连接到变频器，从而使电机定子产生的电流信号传达到变频器，同样变频器也经由CAN总线再给控制器传送数据，在控制器收到两者的电流信号后，通过计算，得出变频器的转速值，从而使变频器能够输出正确的驱动电流，从而实现闭环控制，这样电机转速和转矩在控制器的控制下就能达到均衡。

图4 电机功率平衡系统结构

4.负载协同调速技术

矿井重要的采煤设备综采“三机”(采煤机、液压支架和刮板输送机)，这三个设备都极大的影响着综采工作面的连续工作，且三者之间协调与否与挖煤的效率和经济效益有密不可分的关系。在这之中刮板输送机和采煤机间关联最为密切，开采煤炭过程中采煤机的速度、位置以及方向要一直改变，输送机也要跟着采煤机的变化而变化，如果他们两个之间配合不好，就会出现“压溜”“超载”等情况，所以两者之间的协调至关重要。

这两者间的协调运转技术有连锁运行、刮板输送机随时开停机技术、同速行驶技术等。首先由于两者间的运行速度不一致，其次还因为采煤量在不断变化，所以运输机对采煤机的反应也有滞后性。协同调速技术的运用，就能把驱动电机的电流当作煤碳载重量的象征，而且还能通过电机电流之前的数据来预测未来的载重情况，能够减少延时。并且通过这种算法还可以计算出载煤量、采煤机的方位和将要运转的方向，从而保障同速运转。随后在借助BP算法，将运输机的电机的电流值输入，就能准确的计算出煤碳载重量。在PID算法的控制下，输入采煤机的牵引速度以及输送机的链速，从而就能做到对输送机以及采煤机的速度的控制。图5把粒子群的多目标优化算法作用下的输送机负重共同调速控制方法展示出来。