刮板输送机变频控制系统分析及优化研究

苗 军

（汾西矿业高阳煤矿，山西 孝义 032300）

引言

刮板输送机是采掘作业面物料运输主要设备，并为采煤机移动提供轨道、液压支架推移提供支点，刮板输送机工作效率直接影响采掘工作效率[1-2]。随着煤炭开采强度以及采掘深度增加，传统的刮板输送机驱动方式难以满足生产需要，为此众多研究学者对刮板输送机启动装置展开研究，但是研究重点集中在驱动装置性能，对控制系统优化方面研究相对较少[3-5]。为此，以山西某矿3206综采工作面使用的SGZ880/800刮板输送机为研究对象，提出将变频控制系统应用到刮板输送机运行控制中，再对刮板输送机变频控制系统进行分析并针对性优化，以期为其他矿井刮板输送机驱动优化提供经验参考。

1 采面刮板输送机概况

刮板输送机机头、机尾两侧电机带动刮板链往返移动，将采掘作业面截割的煤炭运输至转载机、带式输送机，最后运输至地面。现阶段矿井刮板输送机常用驱动装置结构包括有变频驱动、CST驱动、液力偶合器等方式，其中变频驱动可实现无极调速、软启动等，在煤矿井下应用逐渐广泛。矿井刮板输送机采用液力偶合器驱动，该种方式存在应用方式落后、启动冲击大等问题，为此，提出将变频控制系统应用到刮板输送机控制中。

2 刮板输送机驱动系统设计

刮板输送机异步电机转速直接影响刮板输送机运输速度，具体异步电机转速可用式（1）确定[6]：

式中：n0为异步电机转速，r/min；f1为异步电机输入电流频率，Hz；p为异步电机极对数。

从式（1）看出，刮板输送机异步电机转速与输入电流频率间呈正相关趋势，因此通过调节输送电流频率即可调节刮板输送机运行速度。

刮板输送机采用变频控制后可有效解决启动过程中启动电流过大问题，同时避免急启、急停问题，具体刮板输送机变频控制系统结构模型如图1所示。

图1 刮板输送机变频控制系统结构模型

刮板输送机变频控制主要依靠PLC实现，为提高变频控制效果提出采用DX-MA01控制器作为变频控制核心组件，该控制器直接控制电压比例阀及开关阀、输入及输出端口多、高度集成等优点。控制器用TC1796型处理器、内存4 MB+8 kB、采用频率150 MHz，I/O端口扩展性强，具体刮板输送机变频控制系统部分I/O端口分配情况见表1。

变频系统采用CSNR161电流传感器，该传感器可适应井下潮湿、高粉尘环境，具备精度高、速度快以及检测范围广等；选用NJ4-12GM40-E速度传感器。

3 变频控制系统优化

刮板输送机采用直接转矩启动控制方式，具体结构如下页图2所示。

电流i1、i2分别表征机头、机尾电流，同时也可反映机头、机尾驱动装置负载，同时通过分析负载转矩与允许值间偏差来实现刮板输送机机头、机尾驱动装置功率平衡。为实现刮板输送机按照预先设定速度曲线运行，需对机头、机尾电机启动时间、启动顺序等进行精准控制。

表1 部分I/O端口分配

图2 直接转矩控制策略

3.1 启动优化

对变频控制系统应用后刮板输送机轻载、重载时机头、机尾功率差以及最大张力等进行监测，具体监测结果见表2、表3。

表2 空载启动

表3 重载启动

从表2看出，在空载启动时启动时间差会影响机头、机尾最大张力以及功率差。启动机头最大张力、机尾最大张力分别随启动时间差增加分别降低、增加。根据表2可知，启动时间差为3 s时，机头、机尾最大张力差以及功率差最小，分别为4 kN、0.44 kW。

从表3看出，在重载启动时，刮板输送机机头、机尾最大张力与启动时间差关系与轻载时一致；但功率差随启动时间差呈现先减小后增大趋势。根据表3监测结果建议重载时启动时间差为8 s，此时最大张力差以及功率差分别为106 kN、4.09 kW。

3.2 正常运行阶段优化

对刮板输送机处于正常运行期间时变频驱动进行优化，具体选用的机头、机尾功率平衡控制方案如图3所示。

图3 正常运行阶段机头、机尾功率平衡控制方案

如图3所示，机头、机尾转矩分别为T1、T2，转矩差为Δ。当Δ＞0时，表示机头驱动电机转矩过大，可通过降低机头转矩方式实现功率平衡；反之，当Δ＜0时，表示机尾电机钻机转矩过大，可适当降低机尾转矩。

4 结论

为提高刮板输送机运行效率以及可靠性，将变频控制系统应用到3206工作面SGZ880/800刮板输送机中，并进行优化。对刮板机轻载、重载两种条件下机头、机尾电机功率差以及最大张力差等进行比对分析，发现机头、机尾功率差与启动时间差有密切关联，将启动时间差为3 s时，刮板输送机机头、机尾最大张力差、功率差分别为4 kN、0.44 kW；重载启动时，适当增大启动时间差实现功率平衡，最佳启动时间差为8 s。最后对刮板输送机在平衡运行阶段机头、机尾电机功率平衡系统进行设计。通过优化变频控制系统，可提高刮板输送机运行可靠性。