程军，李愈清，陆文涛

（1.北京昊华能源股份有限公司大安山煤矿，北京 102419；2.唐山开诚电控设备集团有限公司，河北 唐山 063020）

1 引言

带式输送机是煤矿生产的主要运输设备，但在煤矿生产中，由于采区煤层分布不均匀，每天每个班次的采煤量也不均衡，从而导致煤炭运输设备如带式输送机的输送量也随之变化。另外，在煤炭行业，选择带式输送机驱动电机时，由于要考虑运行的可靠性和生产中可能出现的过载等情况，都会留有较大的余量，这也造成“大马拉小车”的情况出现。然而，带式输送机在输送量变小时，如果仍维持较高带速不变，不仅会造成运输设备不必要的机械磨损，而且白白消耗了大量的电能，使吨煤生产成本提高，效益降低。

变频调速技术已普遍应用于煤矿电气设备的拖动上。带式输送机采用变频调速装置后，不仅解决了软启动、软停止、验带和多机功率平衡等问题，而且还具有节能功效。变频器的节能表现在其具有较高的效率和功率因数，同时4象限变频器还可以将处于发电制动状态的电动机的动能回馈电网。采用变频调速的带式输送机在输送量发生变化时，实时适度地调节和控制变频器的输出频率，使带式输送机按照与其输送量相匹配的速度运行，不仅充分利用了带式输送机的运载能力，而且减少了驱动电动机不必要的功率损耗，从而达到了节约电能的目的。

2 运煤量变化时带式输送机的节能控制

2.1 传动滚筒上所需圆周力的计算［1］

钢绳芯带式输送机的受力分析如图1所示。

图1 钢绳芯带式输送机受力分析Fig.1 Steel cord conveyorstress analysis

在稳定运行时，带式输送机传动滚筒圆周力等于带式输送机的运行总阻力。钢绳芯带式输送机的运行总阻力是由几种阻力组成的，这些阻力可分为5类：主要阻力FH、倾斜阻力Fst、附加阻力FN、特种主要阻力Fs1、特种附加阻力Fs2。主要阻力FH和附加阻力FN发生在所有的钢绳芯带式输送机上，而特种阻力Fs（Fs=Fs1+Fs2）只出现在某些设备中，简化计算时可暂不考虑。

主要阻力FH和倾斜阻力Fst的计算公式，可从图1所示的钢绳芯带式输送机直线段阻力推导得：

式中：FH为主要阻力；ω为运行阻力系数；L为钢绳芯带式输送机长度；g为重力加速度；q′为每米输送机上托辊转动部分重量；q″为每米输送机下托辊转动部分重量；q0为每米钢绳芯胶带重量；q为每钢绳芯胶带上的物料重量；β为输送机运输倾角；Fst为倾斜阻力；H为送机卸料段与装料段之间的高差。

附加阻力指在加料区的物料加速惯性力和摩擦力、在导料槽与胶带之间的摩擦力、从动滚筒轴承处产生的摩擦力以及胶带在滚筒上缠绕产生的弯曲阻力。按国际标准计算方法，把附加阻力划到主要阻力当中去，其方法是把主要阻力乘以系数C，即

式中：FN为附加阻力；C为系数。

简单计算时，驱动滚筒圆周力Fu可表示为

将式（1）～式（3）代入式（4）得：

当输送机为下运方式时，β取负值，此时若Fu＜0，电动机处于发电状态。

2.2 驱动电动机轴所需功率计算［1］

驱动电机轴所需功率：

其中

式中：PM为电动机功率；PA为传动滚筒轴所需功率；K1为电动机功率系数；K2为电动机启动方式系数；η1为减速器效率；η2为电压降系数；η3为多机功率不平衡系数；Fu为驱动滚筒圆周力；v为带速。

2.3 节能分析

下运带式输送机由于电动机一直处于发电制动状态，凡具有回馈功能的变频器都可以将电动机的发电能量回馈电网。因此，这种状态属于电动机通过变频器向电网提供电能。而对于上运和平运带式输送机，需要电网通过变频器向驱动电动机输送功率，即电动机需要消耗电能。如果带式输送机的输送量发生变化，则其以多高的带速运行时才能使电动机消耗的轴功率最少，下面进行节能分析。

将式（5）、式（7）代入式（6）整理可得电动机轴所需的功率为

由式（8）可见，对一条固定的带式输送机而言，式（8）中的第1项除了带速v之外，其余均为常数，可用λ1表示；第2项除了v与q之外，其余也为常数，用λ2表示。因此式（8）还可表示为

其中

式（9）中第1项与运载能力q无关，可理解为带式输送机的空载功率损耗；第2项与运载能力q有关，可理解为带式输送机的负载功率损耗。

输送机每米输送带上的物料重量q（运载能力）与输送机的输送量QC有关，当QC发生变化时，如何调整带速v才能使PM最小，下面分3个阶段进行分析。

1）当给煤量QG=0 t/h时，输送机的输送量QC=0 t/h（假定输送机上无剩煤），q=0 kg/m，输送机为空载运行。这时，如果将带速v调整到最低运行速度v0，由式（9）可得PM=λ1·v0，此时电动机消耗的轴功率最小。

2）当给煤量QG最大时，QC和q也为最大值，输送机将以最大的输送量满载运行。输送机的运行速度v也为最高速度，这时，电动机消耗的功率最大（可到额定功率）。

3）当给煤量QG由最大减少时，如果v保持不变（最高速），则QC减少，q也随之减少。因此q·v也有所减少，但由式（9）可知，q·v减少只使负载功率减少，而对电动机总的功率消耗影响有限，并且输送机高速运行也加大了整个系统的机械磨损。此时如果降低带速v，在当前的给煤量下使q恢复到最大值，这样不仅完全利用了输送机的运载能力，而且可以使v降到当前的最低值。由于v下降后，q又升了上去，因而这时的q·v与降速之前的值基本相等，即降速后对负载功率损耗影响不大，主要是减少了空载功率损耗。因而，这种节能原理其实就是在输送量减少时，应尽可能地降低带式输送机的带速，在当前的给煤量下使输送机达到最大运载能力时为止。这时的带速一定是最低的，空载功率损耗也是最低的，输送机也就运行在最佳的节能状态。

2.4 最低带速计算

输送机运行在额定工况时，输送机的输送量QC达到最大值QCM，且与给煤机最大的给煤量QGM相等，即QCM=QGM。输送机每米输送带上物料重量也达到最大值qM。输送机的运行速度为最高速度vM。由此可得出：

将给煤机的给煤量降到其最大值的ρ倍即ρQGM（0＜ρ≤100%），若保持带速不变，则输送机的输送量QC也会降到ρQCM，输送机每米输送带上物料重量也会降到ρqM。按照节能分析的原理，如果降低带速而继续维持qM不变，则有：

由式（10）、式（11）可得：

即输送机的输送量降到其最大值的多少倍，使输送机的带速也降到其最大值的多少倍时，就可以达到理想的节能效果。这也是根据煤量自动调速的依据。

2.5 节能效果计算

节能效果计算是按照输送量发生变化时，带速维持最高速度不变时电动机消耗的功率与带速按节能要求改变后电动机消耗的功率进行计算，求出两者之间的功率差，再按照不同负载段输送机运行的时间就可以求出输送机总的节能效果。下面从空载、满载和负载以20%满载的步进量变化时来进行节能分析。按照上面的定义，以每米输送带上的物料重量q来代表载荷，qM代表满载，vM代表最高速度。电动机消耗的轴功率由式（9）求得。负载变化时带速变化按节能要求考虑。

假设输送机每天运行T h，其中空载运行时间为T0；20%负载运行时间为T20%；40%负载运行时间为T40%；60%负载运行时间为T60%；80%负载运行时间为T80%；满载运行时间为Te。则由表1可得输送机每天节约的电能为

表1 带速跟随输送量变化前后电动机轴功率计算Tab.1 Belt speed follower throughput change before and after the motor shaft power calculation

3 基于变频调速的节能控制流程图

带式输送机的输送量可以通过安装在给煤点附近的电子皮带秤进行检测。电子皮带秤是一种常见的动态物料计量和控制设备，它通过测量皮带上物料的重量和皮带的带速来核算物料的输送量，并输出4～20 mA模拟量信号。对带式输送机煤量信号的采集和变频器的速度控制，是由皮带集控系统完成。由于带式输送机的输送量是不断波动的，为了尽可能准确地反映实际煤量的变化，可以将带式输送机的输送量以20%的梯度进行统计，当煤量到达某一梯度范围内并在设定的延时时间内不变时，就可以认为达到了当前的输送量。皮带集控系统将根据不同梯度范围内的输送量，按照式（12）计算出变频器相应的速度给定信号，变频器就会输出相应的频率来满足输送机对不同带速的要求。图2为带式输送机根据输送量调节带速的节能控制流程图。图2中假设电子皮带秤4～20 mA对应煤量为0～1000 t。

图2 带式输送机节能控制流程图Fig.2 Belt conveyor energy-saving control flowchart

4 工业现场实际应用效果

下面以淮南矿业集团某矿主运带式输送机变频调速节能控制系统为例，对采用该节能控制方法所取得的节能效果进行分析。

该矿主运带式输送机是一条倾角为11°的上运皮带机，皮带机头有2个滚筒，每个滚筒由1台450 kW，6 kV交流异步电机驱动。2台电机采用1套防爆高压变频器进行变频调速。该矿带式输送机的机械参数为：运量1100 t/h；皮带斜长L=680 m，带宽B=1200 mm，倾角β=0～11°，带速vM=3.15 m/s。

按照参考文献［1］第9章中公布的数据表，可对以下参数进行选取：电动机功率系数：K1=1.3；电动机启动方式系数：K2=1；与L成函数关系的系数C=1.21；阻力系数W=0.02；每米输送机上托辊传动部分重量q′=20.8k g/m；每米输送机下托辊传动部分重量q″=6.7k g/m；每米钢绳芯胶带重量q0=57k g/m。

按照节能效果分析，可在理论上计算出带式输送机每天节约的电能为

该矿主运带式输送机每天运行22 h，其中空载运行时间T0=3 h，60%重载运行时间T60%=7 h，80%重载运行时间T80%=5h，100%重载运行时间7h，全年运行330天，每度电按0.75元计算，则每天节约的电能为

年节约电费=516×330×0.75=12.8万元。

另外，根据工业现场的实际运行记录，可以计算出负载变化时电动机运行在50H z时每天消耗的电能为5190 kW·h；负载变化时电动机运行在与负载相应的节能速度下时每天消耗的电能为4655 kW·h。后一种运行状态比前一种每天节电：535 kW·h。可见每天实际节电效果与理论计算值相近。

5 结论

本文通过对煤矿带式输送机所受的运行阻力的分析，给出了带式输送机驱动电动机轴功率计算公式，并将轴功率分解为与带速有关的空载功率损耗和与带速、负载有关的负载功率损耗两部分。带式输送机的节能控制实际上就是通过合理的匹配其输送量与带速的关系，在维持输送机正常运载能力不变时，保持其负载功率损耗不变，而靠减少其空载功率损耗来达到节能的目的。该节能控制方式是通过变频调速和皮带集控系统完成的，经工业现场实际使用证明，具有明显的节能效果。

［1］顾永辉.煤矿电工手册（修订本）第3分册：煤矿固定设备电力拖动［M］.北京：煤炭工业出版社，1997.