基于变频控制的带式输送机节能控制系统的设计

刘文升

（山西潞安配售电有限公司， 山西 长治 046000）

引言

带式输送机是煤炭生产重要的运输设备，特点为运行时间长，耗电量巨大。带式输送机在实际运行过程中，煤料承载量实时变化，轻载或空载现象频发，导致电能浪费现象严重。据统计，设计带式输送机电动机功率的余量约为20%～45%，电动机运行效率低于50%，导致“大马拉小车”的现象。针对这一问题，国内外多家科研机构展开带式输送机节能控制系统研究，如采用Y-△接法变换提高电动机效率，即电动机Y接法无功功率仅为△接法的1/3，而有功功率相等；采用减电机运行的节能技术，即带式输送机轻载或空载运行时，减少电动机运行数量；如采用降电压技术减少电动机的功耗，即降低电动机功率因素，减小负载电流；如采用开关磁阻电机、感应电动机等降低电动机能量损耗，提高输送效率；如采用变频调速原理，根据承载的煤料重量，协同调节带式输送机的运行速度，达到煤料与速度的匹配，达到节能的目的。以PLC控制技术和变频调速技术为基础，利用模糊控制算法实现节能控制，设计智能化、高效率的带式输送机节能控制系统。

1 总体设计

1.1 设计目标

设计的带式输送机节能控制系统在实现软启动/变频启动的基础上，实现系统运行过程的节能控制。以PLC控制器为中央控制单元，以煤料载重为参考变量，应用模糊控制系统，实时调节带式输送机带速，达到节能降耗的目的。该节能控制系统的设计目标为：第一，实现变频器故障智能检测，变频器自身有过压、过载、欠压等保护，为保证节能系统的稳定性，PLC控制器接收变频器故障信息，经逻辑判断后，向监控平台发送故障信息，必要时立即保护停机；其次，实现带式输送机自动保护，即在带式输送机沿线安装急停按钮以及堆煤、跑偏、拉绳、撕裂、烟雾等传感器，将该传感器数据信息传入PLC控制器，实现带式输送机的自动保护；第三，实现带式输送机速度的手动恒速控制、煤量/带速自适应控制，即实现煤料/带速的自适应匹配，节约电能[1-3]。

1.2 总体结构

带式输送机节能控制系统总体结构框图如图1所示，进线为交流6 kV高压电源，一路经高压馈电开关后，控制变频器以及电动机；一路经变压器降压后，进入低压馈电开关柜，为节能控制系统的低压设备提供电源。在该节能控制系统中，有主井一部1—3号以及主井二部1—3号六个变频器以及电动机，采用“一拖一”模式实现变频驱动。该节能控制系统的低压设备有张紧装置、抱闸装置、照明、风扇、皮带保护、皮带综保以及PLC控制柜等，其中PLC控制柜中安装有PLC控制器以及扩展模块，是该节能控制系统的核心部件。

图1 带式输送机节能控制系统总体结构框图

2 硬件设计

带式输送机节能控制系统的硬件设计框图见下页图2，中央处理器为PLC控制器，该控制器接收堆煤、撕裂、烟雾等保护传感器4～20 mA电流信号，经A/D转换后，对数据进行逻辑判断，当达到该传感器的报警值后，触发报警；PLC控制器以CAN通信模式控制变频器启动、停止，同时对变频器的运行模式、给定转矩、给定转速、最高速上限等参数进行控制，驱动变频器对带式输送机电动机进行调速，以满足煤料/带速自适应匹配；速度传感器、皮带秤将带式输送机承载的煤料重量以及带速实时值传送给PLC控制器，经控制器判断后，控制变频器给定转矩/转速，对带式输送机带速进行调节。功率采集模块用于采集变频器以及电动机数据，传送给PLC控制器，为其调速提供数据参考。另外，PLC控制器还负责将带式输送机运行数据信息以CAN通信模式传送给上位机，实现对带式输送机的远程监控。

图2 带式输送机节能控制系统硬件设计框图

3 软件设计

带式输送机软件设计中模糊控制原理如图3所示，输入信号为初始带速V0，以及安装于带式输送机机身的速度传感器检测值，经模糊控制器模糊化、解模糊等过程后，将模糊算法结果传入PLC控制器，由PLC控制器控制变频器频率输出，进而控制带式输送机电动机转速。该带式输送机的转速n的取值范围为0～1 495 r/min，带速v的取值范围为0～4.5 m/s，变频器的频率f变化范围为 0～50 Hz，则根据n/1 495=v/4.5的比例关系，调节驱动电动机的变频器的输出频率，完成对带速v的自适应调节。速度传感器实时检测带式输送机的带速，形成闭环控制[4-6]。

图3 带式输送机节能模糊控制原理

4 节能分析

将所设计的带式输送机节能控制系统应用于某煤矿的主斜井带式输送机（其主要技术参数见表1所示）。

根据带式输送机运量Q与带速v的正比例关系可得出不同运量下的匹配速度，如式（1）所示：

表1 某煤矿主斜井及其带式输送机主要技术参数

式中：P为带式输送机电动机的输出轴功率，n为转速，f为变频器的输出频率。由式（1）可知带式输送机运量、带速、功率以及频率之间的匹配关系，如运量增加6%，则带速增加0.095 m/s、电动机功率增加189 kW。

该煤矿主斜井带式输送机节能改造前所需电量W=3×1 400×300×18×0.63=14 288 400 kWh。

采用节能控制系统后，带式输送机的实际运量Q与速度成自适应匹配关系，以平均运量计算，当实际运量为额定运量的50%时，带速为2.5 m/s，电动机功率为1 050 kW，则改造后所需电量W'=1 050×300×18=5 670 000 kWh。

节电效果较为显著。

5 结语

带式输送机作为煤矿井下重要的运输设备，也是高耗能设备之一，为响应国家在煤矿领域节能降耗的号召，设计并实现基于变频技术、PLC控制技术以及模糊控制技术的带式输送机节能控制系统，分析煤量与带速的自适应调节与匹配关系，使得带速能够根据煤量的变化自适应调节，以达到节电的目的。