智能变频器在大型远距离带式输送机上应用研究

闫生亮

(汾西矿业柳湾煤矿，山西 孝义 032303)

带式输送机在煤矿生产过程中主要用以煤、岩等运输，由于受到采、掘进工作面生产影响，带式输送机需要频繁地开启，传统的带式输送机启动方式在使用过程中存在电机功率平衡困难、电流过大等问题[1～3]。因此，现阶段矿井多是采用变频器对带式输送机运行进行控制，从而实现带式双机软启动，并降低设备运行时对输送机胶带造成的影响。根据有关统计，带式输送机电能消耗占据井下电力消耗的60%以上，采用的变频器仅实现输送机软启动，不能有效降低输送机电能消耗[4～5]。因此，文中提出采用智能变频器应用到带式输送机控制中，根据输送的煤炭、矸石量控制带式输送机运行，不仅可以确保带式输送机的运行效率，而且还可以显著降低电能消耗。

1 带式输送机变频控制分析

现阶段矿井采用的带式输送机控制一般通过PLC实现，PLC输出工频信号控制变频器，变频器通过交直转换并经逆变器改变输出给电动机的电流频率，从而控制电动机转速。电动机通过减速器、液力耦合器带动带式输送机滚筒运转，滚筒通过与输送机胶带间的摩擦力带动胶带运行。传统的带式输送机控制系统结构见图1。

图1 传统的带式输送机控制系统结构

控制带式输送机运行的最主要设备为变频器，其中变频器控制装置主要包括控制器、传感器以及执行元件等。文中提出的智能变频器可以采用传感器获取运输信息，从而控制输送机运行速度。选用传感器类型包括压力传感器、速度传感器以及位置传感器等；控制器包括PLC，并通过无线传输方式获取电机转矩、电流等；执行元件主要为变频器，变频器依据智能控制系统发出的控制信号实现对带式输送机的无级变速，不仅实现输送机软启动，而且可以降低电能消耗。

2 智能控制变频器系统结构

智能控制变频器控制系统核心是获取运输的煤、岩量，因此，控制系统选用压力传感器、速度传感器对运载量及运行速度进行控制。

智能控制变频器系统结构包括给煤机监控分站、输送机控制分站，其中给煤机监控分站用以监测给煤量、输送机监控分站用以控制输送机运行。传感器监测到的信号通过以太网传输给处理中心，处理中心再通过智能算法进行运算，并将控制指令输送给变频器实现速度调控。

3 智能变频器控制策略

智能变频器通过控制系统监测到带式输送机运载的煤、岩量，并基于煤量匹配原则对带式输送机输送量进行控制，不仅可以提升带式输送机运行效率，而且可以对输送机运行进行智能化控制，降低使用过程中电能消耗量。

带式输送机运行控制的目标函数为：

Qmin=Qr-Qe

(1)

其中：Qr、Qe、Qmin分别为输送机运行时实际功率、额定功率以及功率差，Qmin值越低越有利于输送机降低电能消耗。

带式输送机运行过程中系统模型为：

M={V，F，D}

(2)

其中：V为影响输送机煤(岩)量因素合计，如采、掘作业面生产，输送机机头、机尾卸载点等；F为输送机运行状态合计，如胶带长度、运送方向以及胶带带速；D为输送机运输的煤(岩)量瞬时载荷变化函数。

智能变频器使用过程中最为重要的环节是对于输送的煤(岩)量进行智能预测，并以煤(岩)量为依据进行智能控制。其中煤(岩)量瞬时载荷变化函数D就是用以煤(岩)量预测，主要是通过时间推移方式对未来一段时间内的煤(岩)量进行预测，具体表达式为：

D(T+t，l)=D(t，l+viT)

(3)

其中T表示预测周期；l表示运输长度；vi表示输送机胶带在i时刻运行速度。

智能变频器控制系统调速流程见图2。

图2 智能变频器控制系统调速流程

首先根据输送机胶带长度、输送机运行速度构建输送机运行模型，用以预测输送的煤(岩)变化量，并将此时运行速度与预测速度进行比对，从而及时实现输送机提速、减速操作。

变频器智能控制系统主要作用是实现两个阶段的速度控制，第一阶段是输送机启动以及停机阶段，当智能控制系统接收到启动信号时，控制输送机以3.6m/s速度运行，当接收到停机信号时将速度降低至2.0m/s；第二阶段是依据输送的煤(岩)量以及功率对输送机运行速度进行控制，输送机运行功率可以在一定程度上反应输送机运输载荷量，为了提高准确性必须对输送机运输的瞬间煤量进行监测。但是由于监测往往具有一定的滞后性，当运输的煤量瞬间增加时，若输送机不能及时提速可能会造成事故发生，因此将功率作为反映输送煤量信息较为可靠。具体的带式输送机速度控制策略见图3。

图3 带式输送机速度控制策略

3 应用效果分析

为了对矿井带式输送机采用智能变频器控制，文中以某矿井下1305运输巷布置的带式输送机采用智能变频器前后的输送机电能消耗量进行比对分析，在使用智能变频器之前，该带式输送机平均运输时间为19.7h，运行速度恒定为4.4m/s，运行功率保持在780kW，输送机每天停机检修时间为4.3h，该带式输送机每天电能消耗量恒定为1.54万度。采用智能变频器后的带式输送机运行参数见表1。

表1 智能变频器后的带式输送机运行参数

在带式输送机运行时共采集3组运行数据，第一组数据为带式输送机以2.0m/s(功率263kW)运行2.5h，以3.6m/s(功率542kW)运行16.5h，对应的输送机能耗分别为657.5度，8943度，总计电能消耗为9600.5度。其余的两组进行数据见表1。从运行效果来分析，采用智能变频器后带式输送机电能消耗平均为9722.7度，较使用前电能消耗降低约36.87%，节能效果显著。

4 总结

带式输送机具有运输距离长、输送量大等特点，在煤矿生产中广泛应用。带式输送机电能消耗可以占据到煤矿井下机电设备电能消耗的60%，提高带式输送机运行效率并降低电能消耗对矿井生产效益的提升具有较好的促进作用。

文中提出将智能变频器应用到矿井带式输送机控制中，根据输送机运输的煤(岩)量控制带式输送机运行，实现带式输送机智能调速，从而降低输送机运行过程中的电能消耗。智能变频器应用到带式输送机后，输送机电能消耗降低约36.87%，取得显著应用效果。