变频器在综采工作面乳化液泵站的应用_郝建伟.pdf

江西煤炭科技2023年第1期郝建伟（西山煤电西铭矿，山西太原0 3 0 0 5 2）变频器在综采工作面乳化液泵站的应用摘要：为了降低乳化液泵站的电能消耗，提升工作面供液系统的可靠性和安全性，对传统的乳化液泵站系统进行了变频技术改造。首先，介绍了变频器在系统中的连接方式和作用。其次，研究了变频控制系统的控制原理。最后，总结了乳化液变频控制系统的应用特点。关键词：液压支架；乳化液泵站；节能；变频器中图分类号：TD4 2 1.8文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 8 0-0 2Application of Frequency Converter in Emulsion Pump Station at Fully-mechanized Mining FaceHao Jianwei(Ximing Colliery,Xishan Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 0300052)Abstract:In order to reduce the power consumption of emulsion pump station and improve the reliability and safety of liquidsupply system at working face,the paper introduces the transformation on the traditional emulsion pump station system throughfrequency conversion technology,including the connection mode and function of frequency converter in the system areintroduced，the control principle of frequency conversion control system and the application characteristics of emulsion frequencyconversion control system.Key words:hydraulic support;emulsion pump station;energy saving;frequency converter液压支架是综采工作面的三机之一，移架速度和支护能力关系着采煤效率和安全生产。乳化液泵站是液压支架的动力来源，泵站的运行性能直接关系到液压支架的移架速度和支撑强度。随着采煤机开采效率的提高，工作面对液压支架的移架速度和支护强度的要求也越来越高。原乳化液泵站在节能降耗、动力匹配、软启动、保护功能等方面已经不能满足要求，因此将变频控制技术应用于乳化液泵站的改造项目中，研发一套性能优良、绿色节能的乳化液泵站驱动装置很有必要1-6。1系统概述在原综采工作面的乳化液泵站中，组合开关由变压器取电后直接供泵作为输入电压，因此泵的转速是固定的，要想改变综采工作面供乳化液系统的压力，需要人工改变闸阀的开度。在这种系统中电能消耗是固定的，且需要人工操作，十分不便。技术改造后变频器和乳化液泵站的连接如图1所示。变频器可将变压器输出电压变换为频率可调的电压，再作为乳化液泵的输入电源。在系统供液出口处安装有压力传感器，检测管路中的液压，并将此数据传输给变频器的控制器，当管路压力降低时，控制器会提高变频器的输出频率，泵的转速随之升高，管路压力上升；相反，当管路压力过高时，控制器会降低变频器的输出频率，泵的转速随之降低，管路压力下降，从而使管路的液压压力保持在所需要的范围内，处于一种动态平衡。另外，改造后的系统用电动闸阀代替人工闸阀，在变频器出现故障后仍然可以使用该闸阀进行压力调节。图1变频器和乳化液泵站连接2控制原理由于乳化液泵站的管路压力是由驱动电机的转速决定的，因此，新设计的控制对象实际上是一个异步电机。在异步电机中，转速n是由供电频率1 8 0江西煤炭科技2023年第1期f、转差率s和电机极对数p共同决定的，如式1所示。变频调速的原理就是改变电机的供电频率f，从而改变转速n。变频器就是一种能够改变电源频率的电气设备。n=6 0 f(1-s)p（1）本套装置是一个对管路压力进行闭环控制的系统，由于压力控制的惯性较大，且控制的精度要求不高，因此控制器选择P I控制即可，微分环节可以不必使用。乳化液泵站压力变频控制原理如图2所示，首先，在P L C控制器中设定一个工作面所需压力即额定压力，同时，压力传感器监测管路中的实际压力，将此数据由模拟量输入接口传输给P L C控制器，控制器将这二者比较得到误差信号，将此误差信号作为P I控制器的输入信号，如果误差信号超过一定范围，则P I控制器输出的频率调节信号增大，也就是P L C向变频器发出增大输出频率的指令，变频器接收指令后提高逆变电路的开断频率，增大输出频率，电机转速随之增大，管路中的压力上升。同样的，如果误差信号反号，则P I控制器输出的频率调节信号减小，P L C向变频器发出减小输出频率的指令，变频器接收指令后降低逆变电路的开断频率，降低输出频率，电机转速随之降低，管路中的压力下降。图2乳化液泵站压力变频控制原理3硬件设计1）控制器。变频器的控制器一般选用现场可编程逻辑器件P L C，本次选择西门子公司生产的S 7-2 0 0系列控制器，这款控制器设计紧凑，具有强大的指令功能和良好的扩展性，在自动化领域应用广泛。2）压力传感器。综合考虑传感器的测量精度和供液系统的额定压力，选择3 0 3压力传感器，这款传感器的精度为0.5级，量程2 5 M P a。3）变频器。压力控制对速度的要求不高，因此，一般的变频器都能满足控制性能要求。由于变频器需要应用于井下综采工作面，因此需要适应恶劣的工作环境，特别是满足防爆要求，本文选择B P J 1系列变频器。4）通信接口。在设计变频器、压力传感器、P L C控制器这些设备的通信接口时，应当将可扩展性考虑在内，本设计中P L C和变频器通过R S 4 8 5进行数据连接。4程序设计控制系统的主程序采用梯形图编译，在P L C中执行，设计流程如图3所示。启动系统后，P L C上电进行初始化，当初始化成功后依次执行各子程序。定时扫描子程序和泵站切换子程序是针对多个泵站的系统程序，系统轮流对多个泵站进行控制，由于本系统的实时性要求不高，单个控制器即可完成数个泵站的轮流控制，不必配置多个控制器。图3PLC主程序框图5应用效果乳化液泵站变频器改造项目在山西西山煤电西铭矿实施以后，在节能降耗、动力匹配、电机软启动和电机保护等方面取得了积极的应用效果。1）采用变频器驱动乳化液泵站，可以改善变压器负荷端功率因数，由0.7提升到0.9以上。在液压支架对供液系统要求不高时，乳化液泵可运行在低频低转速状态，电能损耗降低。2）采用变频器后，液压支架能够从供液系统获取足够的压力，从而高效完成动作，乳化液泵站最小输出功率满足液压支架需求，并且功率最低，达到节能的效果。3）变频调速装置可实现乳化液泵站的软启动，延长电机使用寿命，消除对电网的冲击。4）传统的电机控制器保护配置只有过流保护和欠压保护，变频器配置了更加完（下转1 8 4页）1 8 1江西煤炭科技2023年第1期善的电机保护功能，包括短路保护、过压保护、缺相保护、温升保护等。保护的参数可通过P L C进行设置，适应不同参数的电机。6结语采用变频控制技术对综采工作面乳化液泵站进行技术改造，可以达到节能降耗、动力匹配、软启动和保护功能完善的效果。本次乳化液泵站变频技术改造表明，变频技术改造后乳化液加压泵直接电能节省可达到2 0%以上，可延长设备寿命，提升系统安全性能。参考文献：1 刘金虎，刘闯，蒋金虎.变频器技术在综采工作面乳化液泵站探索及应用J.徐州：煤炭科技，2 0 2 0，4 1（5）：1 0 0-1 0 1.2 吕志清.变频节能技术在乳化液泵站中的应用J.江西煤炭科技，2 0 2 0（1）：1 7 4-1 7 7.3 关鹏帅.乳化液泵站变频控制系统设计J.广州：机电工程技术，2 0 1 9，4 8（9）：1 5 7-1 5 8，1 6 1.4 常成远，王雷.乳化液泵变频自动化控制系统J.山东煤炭科技，2 0 1 3（5）：6 4-6 5.5 陈怀卫，杨传森.乳化液泵站变频器在综放工作面的应用研究J.哈尔滨：中外企业家，2 0 1 3（3）：1 8 1-1 8 2.6 徐冰，周海燕，史喜阳，等.乳化液泵站变频调速系统的设计J.常州：工矿自动化，2 0 1 2，3 8（2）：8 7-8 9.作者简介：郝建伟（1 9 8 5），男，山西忻州人，2 0 1 1年毕业于武汉理工大学机械一体化专业，大专学历，现从事煤矿生产调度工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-3 0编辑：许敦昂远程监控平台构成，上位机搭载位姿解算算法及人机交互界面，可实现对掘进机的远程位姿纠偏控制及位姿实时显示。现场定位测量部分的核心内容为由三轴陀螺仪及加速度计组成的位姿测量单元，对运行中掘进机的线加速度及角速度等位姿参数进行实时采集，最后通过P L C控制器汇集上传至上位机进行位姿解算。测量定位系统基本结构如图5所示。3系统应用表1测量误差实验数据对比测量误差基于惯性导航的位姿测量定位系统传统激光导航测量系统X轴行走偏移量2 3mm3 7 0mmY轴行走偏移量2 2mm3 3 0mmZ轴行走偏移量3 0 0mm8 1 3mmX轴姿态角偏移量0.1 5 3.1 7 Y轴姿态角偏移量0.1 3 2.2 3 Z轴姿态角偏移量0.1 1 2.1 2 基于所研究的掘进机位姿监测方法及其机身位姿定向系统，应用于山西焦煤集团有限责任公司东曲矿，并对系统进行了运行测试，测量数据如表1所示。实验数据表明，在掘进机行走5 0m范围内，通过该系统的行走纠偏控制可使掘进机机身在X及Y轴方向的行走偏移量测量误差维持在2 5m m以下，Z轴行走偏移量测量误差最大值为3 0 0m m；其姿态角偏移量最大测量误差存在于x轴方向，误差值为0.1 5，其他方向误差值均小于0.1 5。根据国家巷道掘进工程相关验收标准可知，掘进机行走偏移量最大测量允许误差为15 0 0m m，各姿态角最大测量允许误差为7.1 3，本系统能够完全满足符合国家标准的掘进机位姿测量及定位需求。4结语通过对煤矿掘进机机身位姿感知测量及定位方法进行的研究，提出了一种基于惯性导航的掘进机位姿测量定位方案及相应测量系统，可实现对掘进机偏向位移机姿态角的精确监测及姿态纠正。经东曲矿实际应用测试，该系统的行走及姿态角偏移量等测量误差相比于原激光定位位姿测量系统显著降低，系统测量精度及可靠性大大提高，解决了掘进机位姿测量系统测量精度及智能化程度较低的问题，可满足掘进机机身位姿精确感知及定位的需求。参考文献：1 张旭辉.煤矿悬臂式掘进机智能控制技术研究及进展J.西安：重型机械，2 0 1 8（2）：2 2-2 7.2 刘春.基于PID+Kalman的姿态角算法研究J.沈阳：仪表技术与传感器，2 0 1 8（2）：1 5 7-1 6 1.3 张旭辉.悬臂式掘进机可视化辅助截割系统研制J.北京：煤炭科学技术，2 0 1 8（1 2）：2 1-2 6.4 朱文发.基于捷联惯性技术的轨道线路状态动态检测方法研究D.上海工程技术大学，2 0 1 1：1 1-1 2.作者简介：明凯迅（1 9 6 5），男，河南滑县人，2 0 1 4年毕业于中北大学机电一体化专业，机电工程师，现从事煤矿安全管理工作，研究方向：机电管理。收稿日期：2 0 2 2-0 5-1 7编辑：许敦昂（上接1 8 1页）1 8 4