带式输送机启停及功率平衡控制

2022-07-07段鑫

机械管理开发 2022年5期

段鑫

（西山煤电集团公司设备租赁分公司，山西太原 030000）

引言

近年来，随着煤矿企业规模的不断扩大和生产能力的不断提升，带式输送机也逐渐朝着大运量、长距离以及高运速的方向发展。在此大背景下，对带式输送机输送带的长度、驱动功率以及控制系统稳定性和节能性提出了更高的要求。当前，带式输送机以多电机多点的驱动方式为主，在实际应用中常出现启停阶段负荷突变、输送带张力发生突变以及电机功率不平衡等问题[1]。为此，解决带式输送机启停阶段的冲击和功率不平衡问题是确保其稳定、高效、安全运行的关键。本文重点对带式输送机的启停以及功率平衡控制开展研究。具体阐述如下：

1 带式输送机概述

本文所研究带式输送机应用矿井的生产能力为4 Mt/年，该矿井采用斜井的方式进行开拓。其中，主斜井的主要运输设备为带式输送机，副斜井的主要运输设备为无轨胶轮车。所配置带式输送机的具体形式为单点双滚筒三电机驱动的钢丝绳芯带式输送机，功率分配比例为2∶1。结合该矿井的实际生产运输需求，带式输送机的相关参数如下：运输工作面的倾角最大为20°，带式输送机的最大运输速度为4.5 m/s，输送带的宽度为1 800 mm，输送带类型为阻燃型钢丝绳芯。所配置三台异步电机的额定功率为1 600 kW，可适应其在复杂工况下的重载启动需求。所配置制动装置盘式制动器，具体型号为SHI252，其最大制动力矩为1 000 000 N·m，实际工况所需的最大制动力矩为942 860 N·m；所配置逆止器的具体型号为DSN1000，最大逆止力矩为1 000 000 N·m，实际所需的最大逆止力矩为471 430 N·m。

对于带式输送机而言，其可选择的驱动装置的类型包括有Y 电机+液力耦合器+减速器、Y 型电机+CST驱动装置、变频调速电机+减速器三种方式。综合考虑上述三种驱动方式的节能性、调速性能以及控制稳定性，选用变频调速电机+减速器的驱动方式对设备的启停以及调速进行控制[2]。

本文将在上述对带式输送机基本情况进行分析的基础上，重点对带式输送机启停和功率平衡控制技术进行研究，并进一步研究带式输送机对应的变频系统和配电控制系统。

2 带式输送机电气及变频系统研究

带式输送机稳定启停及功率平衡功能的实现，必须保证在合理电气及变频系统的基础上。本小节重点对带式输送机电气及变频系统的功能实现进行研究。

配电系统作为带式输送机的动力源，该带式输送机配置4 台电动机（三用一备）。带式输送机配电系统主要包括有4 台电机变频器柜和低压配电系统。其中，每台变频器柜中均配置了一套交-直-交的变频装置，主要实现对带式输送机的变频调速控制；低压配电系统主要包括有2 台变压器柜和11 台低压开关柜，其主要功能是实现对带式输送机辅机、加热室以及照明等供电。结合现场的供配电需求，所配置变压器的具体型号为SG11-315/10/0.4 kV，对应开关柜的具体型号为KYN28-12 型高压真空开关柜。

同时，为满足带式输送机基本功能要求，在基础配电系统的支撑下还需保证集中监控和保护功能的实现。

针对带式输送机监控和保护功能的需求，实际应用中以PLC 控制器为核心对带式输送机运行状态参数进行实时、精准监测。鉴于工作面相对恶劣的工作环境，本项目以KHP215 保护装置为核心实现对设备的集中监控和保护，并为其配置了KXJ-1.5/660B 的控制箱，该控制箱包括所属的本安电源、PLC 控制器和网络通讯设备等[3]。控制箱所配置的PLC 控制器为S7-300 系列，CPU 模块为314-2DP。

要求带式输送机电气控制系统实现对输送机常规运行状态的监测报警，并对存在超限的情况进行及时保护，对应的电气控制保护系统控制流程如下页图1 所示。

图1 带式输送机电气控制保护系统程序流程图

变频器是实现带式输送机变频调速的核心装置，结合带式输送机的控制需求，配置额定电流为106.2 A，容量为1 563.5 kVA 的变频器。经选型，配置变频器的型号为ACS800-07，该变频器的额定电流为160 A，可承受的最大负载值为2 800 kW。对应的，配置型号为RS3 型熔断器实现对变频器的短路保护。

3 带式输送机启停及功率平衡控制

在上述带式输送机电气控制及变频控制基本功能实现的基础上，为进一步提升带式输送机启动和停止的稳定性，降低功率不平衡因素，本节重点开展带式输送机启停及功率平衡控制的研究。

对于带式输送机的启动控制，本项目采用S 型加速度曲线进行控制；同时，基于变频调速控制的理念可保证根据负载的变化对驱动力进行精准控制，误差可保证在1%之间，从而解决了在重载等负载工况下带式输送机启动造成冲击和打滑的问题。

对于带式输送机的停机控制，分为设备的正常停机和紧急停车，具体内容如下：

1）带式输送机正常停机流程：待设备将所运输货物完全卸载后变频器控制电机频率根据预设的减速曲线从50 Hz 逐步降为零。

2）带式输送机紧急停机流程：当设备检测到打滑、电机超温、纵向撕裂以及跑偏等故障时，PLC 控制器立即发出停车指令通过变频器将电机频率降为零，实现停机操作[4]。

对于带式输送机的功率平衡控制，基于PID 算法对电机的实时速度进行监测对比，将分析所得的结果传递给逆变器，通过逆变器对各个电机的频率进行控制，保证各个电机的转矩和转速处于同步状态，即实现带式输送机功率平衡的控制。通过试验表明，当带式输送机在实际应用中存在功率不平衡的情况时，基于PID 算法能够在0.04 s 的时间内对各个电机的转速和转矩进行调整控制，最终保证各个电机能够按照预设定的功率比值运行[5]。