斜井皮带机控制系统改造分析与实践

连红飞

(潞安矿业集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

1 问题的提出

王庄煤矿主斜井原煤提升系统采用皮带机提升，将井下生产出的原煤由井下630水平提升至地面，其概况如下：钢丝绳芯胶带机型号为DX4000，带速为4.8 m/s，运量为1 000 t/h，胶带宽度为1 200 mm，总长度为1 304.5 m，倾角为16°，驱动滚筒直径为Φ1 600 mm，电机数量为3台，采用型号为ATSA-450-LX-06A的绕线式异步电动机，功率为630 kW，定子电压为6 kV，定子额定电流为76 A。主斜井皮带机提升系统布置如图1所示。

图1 主斜井皮带机提升系统布置示意图

皮带机电控系统为TKM-PLC转子串电阻启动电控系统，于2005年投入使用。此类电控系统存在电耗高、故障率高、启动不平稳、不节能等问题，重载启动对皮带机系统有较大的机械和电气冲击，尤其随着使用年限的增加，故障率逐步升高，一定程度上影响了安全生产。为此，必须对主斜井皮带机控制系统进行改造。鉴于王庄矿主斜井皮带机的上述特点，要求改造后的控制系统必须实现以下功能：

(1)软启动。软启动指的是利用机械、电气等手段，通过延长设备启动时间，取得斜率较小的启动加速度曲线，使设备在启动全过程中避免受到冲击。王庄矿主斜井皮带机长度达1 304.5 m，由于电源断电、故障停机等原因，经常需要满负荷重载启动，要求启动力矩较大的同时启动电流保持在合理的范围内。采用软启动，可有效减少对皮带机的机械冲击及对电机等设备的电气冲击，延长设备使用年限，减少故障率。

(2)低速验带。矿井每天停产2 h时间，对皮带机进行检修、验带，并探测胶带内钢丝绳的断丝情况，此时，皮带机需要以0.5 m/s的速度运行。

(3)自动平衡3台电机功率。皮带机采用3台电机拖动，实际运行中经常出现问题：双电机滚筒和单电机滚筒由于包胶层磨损不一致，或者由于其中一个滚筒损坏更换新滚筒后，导致双驱滚筒和单驱滚筒的直径出现差异，3台电机的功率严重不平衡。所以，新的控制系统必须实现3台电机功率的自动平衡。

2 驱动技术的选择

根据上述要求，对驱动控制技术进行选择。目前，能实现上述功能且较先进的驱动控制方式主要有变频驱动控制和CST驱动控制。CST是美国道奇公司生产的一种带湿式离合器和电液控制技术的齿轮减速器，可实现上述各种功能，且性能优良，启动和停机平稳，传动效率高，可自动平衡电机功率，但由于其安装尺寸和现有设备基础完全不一致，必须停产后重新制做基础，停产时间约需一个月左右，故该方式不具备操作性。变频器可以灵活布置，技术先进，保护齐全，可实现软启动软停车，不需要制做专门的安装基础。目前，无论国内还是国外，高压变频器技术已非常成熟，因此，选择变频器驱动控制作为此次改造的技术方案。

由于皮带机为上运式，恒力矩负载，选用两象限交直交电压型变频器，控制方式采用直接转矩控制。

2.1 单拖和群拖的选择

群拖指一拖三，即采用一台大容量变频器同时驱动3台电机。

单拖指一拖一，即选择3台小容量变频器，一台变频器仅驱动一台电机。

由于皮带机需要实现3台电机功率平衡，一拖三方式不能实现此功能。因此该改造方案采用一拖一方式，即选择3台与电机功率相匹配的小容量变频器。

2.2 变频器容量计算及校核

变频器计算输出功率P(kW)需满足：

P≥K1Pde.

其中：K1为功率富裕系数，取K1=1.2；Pde为电机的额定功率，kW。

经过计算，P≥756 kW，根据计算输出功率，变频器容量取大一级，选1 000 kVA。

由于皮带机倾角为16°，且需要重载启动，必须进行电流校核。根据上海某公司变频器样品手册，1 000 kVA变频器的额定电流为92 A，1.5倍额定电流过载时间为60 s。要求变频器的额定电流满足：

Ievf≥K3KdIed/k2.

其中：Ievf为变频器额定电流,92 A；K3为电机电流/转矩系数，取1.15；Kd为电机转矩过载倍数，取1.5；Ied为电机额定电流,取76 A；k2为变频器电流短时过载倍数，取1.6。

经过计算，K3KdIed/k2=81.9 A

3 控制方案

皮带机控制系统由3台变频器、1台转换柜、1台综合电源柜、1台操作台等设备组成。

3.1 变频器

3台变频器所有硬件采用模块化设计，维护效率高。其软件要求功能强大，透明度高，调试效率高。变频器选用两象限高压变频器，电压为6 000 V。由于皮带机是正力运行负荷，两象限变频器可满足现场使用要求。

3.2 综合电源柜

采用电源双进线设计，具备电源失压、欠压、过流保护。其馈出回路数量根据各用电设备的要求确定，装设安全隔离开关、空气断路器、接触器、控制开关以及电压、电流等全套测量仪表。

3.3 操作台

操作台是系统的控制中枢，完成运行工艺所给出的运行动作及系统的启动和停止，完成系统的各项保护，使系统安全可靠地运行。系统采用双PLC作为控制核心，一台PLC作为主控，一台PLC作为监控。选用西门子S7-300型PLC。

操作台上装设各种工况显示设备，以液晶显示屏为主要显示设备，可以观察PLC运行情况、各外部接点动作状态、各模拟量回路状态等，方便维护工作。同时具有必要的开关量、模拟量的数字显示，可以在液晶屏不工作时提供必要的运行数据，如安全回路指示灯，故障声光报警显示，高、低压电压表和电流表等等。

正常运行速度设定为4.8 m/s，验带速度设定为0.5 m/s，两种速度通过操作台上的转换旋钮进行切换。

3.4 系统的保护功能

根据《煤矿安全规程》要求，系统能实现打滑、跑偏、沿线急停、撕裂、堆煤、温度监测、烟雾监测、自动洒水等各种保护功能。当发生断带、撕裂、跑偏、倒转等故障时，将自动紧急停车。此外，还可实现超速保护、坠砣车限位、电机超温、闸瓦磨损、电机轴瓦超温、紧急停车、调节回路故障等多种保护功能。

3.5 保留原控制系统

原串电阻控制系统作为备用，予以保留，但仅在应急情况下投入使用，日常主要由变频器驱动，两套系统通过转换开关进行转换。

4 结语

系统改造于2018年“五一”停产检修时间进行，用时5天。变频控制系统运行近一年来，未出现电机功率不平衡等故障，完全实现了有关规定要求的各项功能，提升了设备的可靠性、安全性、经济性，保障了安全生产。