刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究_陈乐.pdf

1212023 年第 2 期陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究陈 乐（晋能控股集团忻州窑矿，山西 大同 037000）摘 要 针对生产过程中出现的刮板输送机启停冲击大、首尾端电机功率平衡性差的问题，以忻州窑矿SGZ880/800 型刮板输送机为研究对象，设计变频驱动方案优化研究，合理调整变频驱动，使得不同负载情况下的刮板输送机的运行带速达到最优匹配。关键词 刮板输送机；变频驱动；保护策略；带速；负载中图分类号 TD63+4.2 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.043Optimal Design and Research on Variable Frequency Drive Scheme of Scraper ConveyorChen Le(Xinzhouyao Mine of Jinneng Holding Group,Shanxi Datong 037000)Abstract:In view of the problems of large start and stop impact of scraper conveyor and poor power balance of head and tail motor in the production process,taking the SGZ880/800 type scraper conveyor of Xinzhouyao Mine as the research object,the optimization research of frequency conversion drive scheme is designed and the frequency conversion drive is adjusted reasonably.So that the belt speed of the scraper conveyor under different loads can achieve the optimal match.Key words:scraper conveyor;frequency conversion drive;protection strategy;belt speed;load收稿日期 2022-07-10作者简介 陈乐（1990），女，山西怀仁人，2018 年毕业于辽宁工程技术大学，本科，助理工程师，研究方向：矿山机电。陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究刮板输送机作为井下开采重要的输送设备，其工作性能稳定性直接影响开采进度，同时设备长期运行电能消耗较大，引入变频驱动能够在提升运行稳定性的同时降低能耗1-3。许多学者都验证了选择合理的电源频率可减少多电机运行时功率分配不均匀的情况，但未给出具体的优化方案。因此，以忻州窑矿 SGZ880/800 型号刮板输送机为例，开展优化方案研究。1 地质概况忻州窑矿设计年开采量可达 800 万 t，探明的煤炭储量达 7.55 亿 t。当前主要的工作面为 5-1 煤层的 5#工作面，属厚煤层综采工作面，工作面长302 m，平均采高 4.75 m，开采煤炭储量约 460 万 t，采煤方式选用的综合机械化长壁采煤，一次采全高。工作面现有的 SGZ880/800 型号刮板输送机额定功率为 1000 kW，首部安装两台，尾部安装一台，共三台电动机，额定总电压为 3300 V12%，每小时运输能力不低于 3500 t，设备安装总长度为 311 m。2 变频驱动优化方案2.1 整体方案设计为了应对不同负载情况下的驱动变化，通过接入变频器调节电动机输入电流，进而达到调整输入功率的目的，可实现动态负载下的功率平衡。图 1为刮板输送机的变频驱动优化方案控制原理示意图。刮板输送机头部位置的两个电动机可看作 1 个等效电机。为了控制头部位置与尾部位置的电动机，接入变频器 1 与变频器 2，PLC 控制器向变频器分别发出控制指令，并且根据电动机实时反馈的电流值识别负载变化，PLC 控制器可快速调整给定参数，实现对电动机的调速控制。图 1 刮板输送机变频驱动优化方案控制原理示意图1222023 年第 2 期2.2 变频驱动方案研究2.2.1 PLC 控制系统根据矿井刮板输送机使用要求，选择 DX-MA01 型高性能 PLC 控制器。该控制器集成了英飞凌 TC1796 高性能 32 位 CPU 处理器，ROM 规格为4Mbyte+80Kbyte，RAM 规格为 4Mbyte+80Kbyte，通信模组与输入/输出模块可二次扩展，具备良好的可扩展性，设备性能满足使用需求。为了实时收集设备运行状况，加装了电流传感器与速度传感器模块，选择测量电流值范围大、稳定性好的CSNR16 I 型号电流传感器与 NJ4-12GM40-E 型号速度传感器。2.2.2 变频控制系统在刮板输送机开始运行时，对电动机的控制是基于电流均值的直接转矩来实现的，具体结构图如图 2。输送机首部与尾部的电动机定子电流分别用i1和 i2表示，通过 i1和 i2的数值变化可反映出电动机负载转矩的波动，依据负载转矩比与标准值的差值对电动机转速进行调节，保证刮板输送机首部与尾部电动机功率平衡4。图 2 基于电流均值的直接转矩控制实现原理图刮板输送机首部与尾部的电动机运转需设置合理的启动时间，如果机器首部与机器尾部的电动机启动时间差太小，会使得机器首部电动机的输出功率比尾部电动机输出功率大，如果机器首部与机器尾部的电动机启动时间差太大，会使得机器首部电动机的输出功率比尾部电动机输出功率小。输出功率差值越大，刮板输送机的传送带最大张力值也越大，选择合理的启动时间尽可能地减小最大张力值，就能实现刮板输送机的功率平衡。经测试，当前设备空载运行时，设置的启动时间差为 3 s，此时的首部、尾部电动机功率差为 0.45 kW，当设备重载运行时，启动时间会比空载耗时更长。3 变频驱动方案保护设计研究矿井下生产环境复杂，刮板输送机变频驱动方案长期稳定高效运转需要增加保护策略，具体如下：（1）流量保护。通常在进行流量检测前，需要将电动球阀调至打开状态，此时开始进行流量检测。流量开关打开后，变频器处于正常工作状态；在变频器正常工作后将流量开关调整至闭合状态，变频器将停止工作，并上报流量过低的故障告警。（2）水温保护。实现水温保护需要在变频器的进水口与出水口位置加装温度传感器，设定报警值水温与故障值水温参数。当温度传感器检测到水温超过报警值时，PLC 会发出水温过高的报警提示，变频器仍然保持正常运转；当温度传感器检测到水温超过故障值时，PLC 会下发停机指令，变频器停止工作，需人工介入进行故障排除。报警值与故障值的参数可通过主控屏进行修改，主控屏可显示实时水温数值。（3）接地保护。为实现接地保护功能，引入了接地保护器，一旦接地保护器做出故障动作，PLC 控制器将下发停机指令，变频器停止工作，并上报接地故障告警。（4）漏电保护。系统中的漏电闭锁触发保护故障动作，PLC 控制器就会下发停止指令，变频器停止工作，并上报漏电故障告警信息。（5）启动故障。当变频器接收到 PLC 控制器的运行指令后，设备开始正常运转，此时变频器会向 PLC 控制器反馈运行信号，如果达到延时时间PLC 控制器未收到反馈信号，则会上报变频器启动故障的告警信号。（6）通信故障。在 PLC 控制器与变频器 PLC模组之间进行数据传送，如果数据传送出现故障，变频器无法正常工作，将会停机，并上报通信故障告警。4 效果分析为了证明刮板输送机变频驱动方案的使用效果，从电能消耗角度分析，将原有的恒速运行方式与变频驱动方式进行对比，在运输任务量相同的前1232023 年第 2 期陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究陈 乐：刮板输送机变频驱动方案的优化设计与研究提下，电能消耗主要与传送速度与载重量相关，具体关系可通过公式（1）表示5：E=3.6P/QL （1）式中：E 表示输送皮带长度、单位重量的货物电能消耗量，kW/h；P 表示设备电动机的运行功率，kW/h；L 表示货物输送的皮带长度，m；Q 表示设备货物输送总量。通过公式（1）的关系可进一步推导：在货物输送总量一定的情况下，合理降低电动机输送功率，增加货物输送皮带长度，可降低电能消耗。单台电动机额定功率均为 1000 kW，工作面长度 311 m，设备输送速度 1.55 m/s。当每小时的输送总量为3000 t 时，在满载状态不同输送速度下的电能消耗率及对应参数见表 1；当每小时的输送总量为 1500 t 时，在非满载状态下不同输送速度的电能消耗率及对应参数见表 2。表 1 满载状态下电能消耗率统计表煤料密度/（kg/m3）输送量/（t/h）速度/（m/s）单位长度质量/（kg/m）功率/kW电能消耗率/（W/kgm）0.630005.0200.328120.4870.6930004.5226.257860.4790.7830004.0279.367100.4290.8830003.0326.726230.3801.030002379.035570.3321.130001.5420.894930.297表 2 非满载状态下电能消耗率统计表煤料密度/（kg/m3）输送量/（t/h）速度/（m/s）单位长度质量/（kg/m）功率/kW电能消耗率/（W/kgm）0.4215003.5157.394290.4920.515003187.683780.4490.615002.5221.713410.3890.7515002.0279.982980.3491.015001.5371.632490.3021.115001.2410.592290.289从表 1 和表 2 不难看出，在货物输送总量保持一定的前提下，增加煤料密度，降低输送速度，可有效减少电能消耗。忻州窑矿 5-1 煤层 5#工作面刮板输送机的满载运行时间占总开机时间的 60%，非满载运行时间占总开机时间的 40%。刮板输送机的三台电动机额定总功率为 3000 kW，输送速度为 515 m/s。按设备输送速度 3 m/s，每度电按照 0.5 元计，当刮板输送机恒速运行时，满载状态下消耗功率 625 kW，非满载状态下消耗功率 376 kW，年电费支出 225.4 万元。当刮板输送机引入变频驱动，满载状态下设备输送速度仍为3 m/s，非满载状态下设备输送速度降至1.5 m/s，刮板输送机的消耗功率下降 68.8 kW，减少电费支出 34.4 万元。通过优化刮板输送机变频驱动，使得刮板输送机的带速随载重量/煤料密度的变化得以调整，带速与煤料载质量达到最优匹配，既节约了电能，又有较大的经济效益，降低了忻州窑矿的企业运行成本。5 结论（1）通过分析刮板输送机设备启动情况，选择采用设备首部与尾部电动机间隔启动的方式，达到功率平衡目的，减小了传送最大张力值，降低设备故障率。（2）制定了刮板输送机变频驱动及保护策略，使刮板输送机的带速随载质量/煤料密度的变化得以调整，带速与煤料载质量达到最优匹配，预计每年可节约电费支出 34.4 万元。【参考文献】1 王国法，庞义辉，张传昌，等.超大采高智能化综采成套技术与装备研发及适应性研究 J.煤炭工程，2016，48（09）：6-10.2 贠东风，谷斌，伍永平，等.大倾角采煤机与刮板输送机应用效果及技术改进J.煤炭科学技术，2016，44（12）：118.123+183.3 毛君，曹昊，谢苗.刮板输送机首尾电动机功率平衡控制研究J.煤炭科学技术，2017，45（02）：130-135.4 赵明，王会枝，郭忠.刮板输送机变频控制技术研究 J.煤矿机电，2018，39（07）：53-54.5 邢金岭.变频驱动带式输送机功率平衡控制研究J.煤炭科学技术，2014，42（07）：84-87.