皮带输送机节能变频控制系统的应用

赵云龙

(西山煤电 镇城底矿，山西 古交 030200)

0 引言

皮带输送机是煤炭行业的重要机械设备，在煤炭开采、运输和洗选过程中起到了关键的作用。随着社会生产力的发展，各行各业对于能源的需求越来越大，煤炭产量也越来越高，因此皮带输送机也向着远距离、大功率的方向发展，同时也要求其具有软启动、调速性能好、节能等特点。本文对原先使用液力耦合器实现软启动的皮带输送机进行变频调速技术改造，将PLC技术和变频器技术应用在皮带输送机驱动系统中，对驱动皮带输送机的两台电机实现了主从两级控制，解决了多电机驱动系统的协同控制问题。

1 变频器调速过程

在皮带输送机原技术方案中，软启动通过液力耦合器实现，实际应用中发现，这种方式不但能耗大，而且还容易造成机械设备磨损，更换和维修的成本都很高。皮带运输机的速度也是相对固定的，不能随着生产过程中的实际煤炭产量进行调节，在轻载时存在电能浪费的现象。采用PLC和高压变频器对电机进行驱动，可以实现软启动和动态调速，具体的闭环调节过程如图1所示，设备启动后通过传感器检测电机转速和转矩，通过电机的转速和转矩进一步计算出皮带运输机的带速和运载量，然后与提前设定的额定转速和额定运载量进行比较，若这两个条件中有一个超过了设定范围，则进行报警，然后由人工进行紧急处理；若转速和运载量均在额定范围内，则启动PLC内置的优化运算程序，算出当前主从电机合理的给定转速，然后将对应的控制指令发送给变频器，变频器在控制指令的控制下改变其输出电压的频率大小，进而改变电机的转速，实现加速和减速的调速过程。当煤炭生产量大时，该算法最终调节的结果是增大皮带转速；当煤炭生产量小时，该算法的最终调节结果是减小转速，这样做既能减少空载时电能的浪费，又能减少皮带的机械摩擦，延长电机、胶带和齿轮箱等关键部件的使用寿命。

图1 皮带输送机变频调速控制流程图

2 主从控制系统结构

由于现在煤矿中大量使用的是远距离、大功率的皮带输送机，单个电机驱动很难满足其动力要求，常见的大功率皮带输送机都是由2到3个电机同时进行驱动的，因此在对其进行驱动系统变频改造时，必须要考虑多个电机的协同问题，如果出现电机驱动转矩不匹配，将会造成胶带断裂、机械振动，甚至造成电机和变频器烧毁。以两电机皮带输送机为例，可以将一台电机设为主驱动电机，另一台电机设为从驱动电机，两级控制结构负载平衡控制示意图如图2所示。在主控变频器的控制逻辑中，首先接收控制室发出的转速给定值和速度传感器检测的电机转速值，并对二者进行比较，比较的差值作为速度调节器的输入量；其速度调节器一般选择PID控制器，速度调节器的输出量就是给定转矩，主控变频器一方面将给定转矩给到特定控制方法的程序中，使其发出对应的指令，另一方面通过数据传输给到从控变频器的PLC程序中，同样从控变频器在这个给定转矩的指令下作出相应调节动作，除此以外，从控变频器内还有输出电流检测模块，以达到闭环调节的目的。

图2 两级控制结构负载平衡控制示意图

3 常见应用问题

(1)高次谐波和电磁干扰。对于井下的皮带输送机而言，电磁兼容性问题是很常见的一类问题，因为井下电磁环境复杂，电气设备之间的距离紧凑，相互之间很容易影响。变频器本身就是一种高频电磁信号源，如果处理不好信号回路的屏蔽，容易对信号回路造成干扰，形成错误指令或保护装置动作跳闸。因此在调试过程中应注意信号回路的屏蔽作用，必要时应增加高频滤波器。

(2)电源异常。变频器对供电电压的要求比原来普通调速装置的更高，在实际运行过程中最容易出现的就是供电电源不稳定造成的低压运行，这将导致变频器输出电压低、皮带输送机转速不够等。因此，在皮带机变频改造前应对井下供电电源进行电能质量分析，如果供电电源不达标，应首先对供电电源进行改造增容，防止变频器长期运行在恶劣电压环境下。

(3)变频器过热。整流二极管和IGBT是变频器的主要功率器件，功率器件在导通时会有导通电阻，特别是IGBT在高频开关过程中会产生开关损耗，这一部分能量以热能的形式在环境中释放掉。由于皮带输送机的工作环境是在井下，变频器被安置在防爆腔内，无法采用风冷降温，因此最好采用水冷系统对变频器进行降温，防止变频器过热爆炸。

(4)机械振动。电机的转矩与电枢电流有关，如果变频器发出的电流有脉动成分，那么就会在电机的转矩中表现出来，电机的转子和机械系统的其他链接部件会产生共振，对轴承、电机、齿轮箱等造成冲击，严重时会导致断齿或变形。在产生机械振动后应检测电流波形，并对波形进行分析，必要时应在变频器输出端口增加滤波电抗器，防止损坏电机或其他机械设备。

4 经济效益分析

经过一段时间的试运行，皮带输送机变频控制系统的节能效果可以被量化表示出来。以1 200 kW(双电机，每个电机600 kW)皮带输送机为例，通过对运转24 h的电能表进行读数，技术改造后的电能为改造前的70%，节能效果显著，换算成电费可达到160万元/年，再加上皮带和齿轮箱维修和保养方面的人工节约，预计对这样一台皮带输送机进行改造后一年的经济效益在180万元左右。

5 结束语

将PLC和高压变频器应用在双电机驱动的煤矿皮带输送机驱动系统中，实现了皮带输送机的软启动和智能调速。通过传感器检测皮带机的转速和负载大小，与给定转速进行比较后，算法程序进行PID调节，发出加速或减速的控制指令，变频器在PLC的指令下完成输出电压的控制，从而实现电机转速控制，两个电机一主一从协同控制，避免了胶带断裂和打滑等现象的发生。通过实际应用发现，变频器在煤矿皮带机应用中有高次谐波和电磁干扰、电源异常等问题，需要后续改进。本次改造的节能效果在30%左右，具有良好的示范作用。