带式输送机智能变频调速控制系统的研究

高海生

（沈阳煤业（集团）机械制造有限公司， 辽宁 沈阳 110123）

引言

带式输送机是煤矿井下物料运输的核心设备，其运行的稳定性和安全性直接决定了井下物料运输的经济性和可靠性，特别是随着输送机不断地向长距离、大运量、高带速方向发展，传统的定速运转输送机已经无法满足多样化的物料运输需求，在运输过程中不仅“大马拉小车”现象严重、能耗量大，而且电机需要频繁的启动和停止，导致输送机运行过程中的功率不平衡问题突出。

本文在对输送机运行现状进行分析的基础上，提出了一种新的带式输送机变频调速控制系统，对变频调速控制理论、变频调速控制系统结构、变频调速控制逻辑等进行了分析。

1 变频调速控制原理

输送机系统的驱动电机采用的是异步电机，因此其运行时的转速、电源频率等存在着以下关系[1]：

式中：n 为转速；p 为异步电机的极对数；f 为电源的工作频率；s 为异步电机的转差率。

由式（1）可知，异步电机在工作的过程中电机的转速和电压的频率成正比关系，因此通过对电源工作频率的调整可以实现对异步电机工作转速的灵活调节。

当系统监测到输送机上的煤量增加时，则发出调节指令，提升工频电源的频率，用于提升输送机的运行速度，当输送带上的煤量降低时系统则同步降低电源频率，减小输送机的运行带速。

为了满足输送机变频调速的控制需求，输送机的变频调速系统主要包括了变频电路、控制电路、传感器等部分。变频电路主要采用了交流—直流—交流的控制结构，系统首先将50 Hz 的变频电源转换为直流电源存储在储能器内，然后根据使用需求，将直流电源再转换为交流电源。控制电路主要是对传感器的数据信息进行分析处理后用于输出控制信息，并根据输送机当前的运行状态进行灵活调控，满足输送机在不同运行情况下灵活调速的需求。传感器电路则主要是包括了电流传感器和电压传感器，用于带的输送机运行过程中电机运行状态的直接监测，该变频调速控制逻辑如图1 所示。

图1 变频控制器控制逻辑示意图

2 变频驱动系统

由于输送机所采用的驱动电机为异步电机，因此为了降低系统改造的成本和周期，在进行变频驱动系统改造时，采用了基于异步电机驱动控制的变频系统改造方案，其整体结构如图2 所示[2]。

由图2 可知，该驱动控制系统主要包括变频器、电动机、液力耦合器、减速器等，整个系统通过PLC控制中心进行数据的集中控制。PLC 控制系统获取输送机上的煤量、带速信号，然后与系统内的最佳带速、煤量匹配数据进行对比，根据对比结果输出变频调节信号，实现对电动机运行状态的调整。

图2 变频驱动系统结构示意图

为了确保输送机在运行过程中带速调节的精确性，根据系统调节逻辑和控制标准，设计了一种新的输送机变频调节控制流程，其结构如图3 所示[3]。

图3 输送机变频调节控制逻辑示意图

由图3 可知，该变频调速控制系统的核心是基于输送机煤量识别，系统开始后首先对自身的硬件和保护系统的运行状态进行自检，然后对系统变量和定时器进行初始化设置，完成后系统发出输送机的启动信号，在输送机运行过程中对其运行状态数据进行实时监测，对当前的带速—煤量匹配情况进行分析，然后根据分析结果对输送机的运行状态进行调整，同时若输送机系统的带速过高时将启动保护动作，防止输送机过度的空载或者满载运行，提升运行的经济性。

3 变频驱动系统应用效果分析

1）对软启动系统的影响。输送机的驱动电机在启动时电流冲击很大，因此若输送机的启动时间过长将给井下电网造成严重的冲击，影响煤矿井下的供电安全。采用新的变频驱动控制后，能够将电机运行时的转矩调整到2 倍额定转矩启动，从而有效地控制了启动过程中的电流冲击混合发热量[4]。

2）对功率平衡的影响。由于输送机一般采用多电机驱动控制，在运行过程中极易出现功率分配不平衡的问题，导致输送机的机械部分出现共振、过度磨损，也会导致电机长期在过载状态下运行，影响输送机系统的运行安全性。采用变频驱动后能够通过调整电机的输出扭矩，进行灵活调整，确保输送机各驱动电机运行时的功率平衡性。

3）对运行能耗的影响。在采用变频驱动后，能够根据输送机上的煤量分布自动调整输送机的运行速度，改造后输送机约65%的时间处于低速运行的时间，将运行时的电能消耗降低24.4%以上，显著提升了输送机运行时的经济性。

4 结论

1）异步电机在工作的过程中电机的转速和电压的频率成正比关系，因此通过对电源工作频率的调整可以实现对异步电机工作转速的灵活调节。

2）该驱动控制系统主要包括变频器、电动机、液力耦合器、减速器等。能获取输送机上的煤量、带速信号，根据对比结果输出变频调节信号，实现对电动机运行状态的调整。

3）改造后输送机约65%的时间处于低速运行的时间，将运行时的电能消耗降低24.4%以上，显著提升了输送机运行时的经济性。