蒿宇升

(白洞矿业公司，山西 大同 037000)

0 引言

带式输送机是煤矿运输系统中运输散装物料的重要设备，其具有速度快、功率大的特点。随着煤矿综采设备的发展，带式输送机已经不能满足现有产能要求。传统的带式输送机不能进行速度调节，电机需要频繁启动，可能导致电机功率不平衡等问题，使得机电工作人员的维修工作频繁。因此对带式输送机进行变频技术改造，提高其自动化水平对提升煤矿的生产效率具有重要意义。

1 带式输送机变频调速原理

带式输送机大多采用异步电机驱动，其转速n与电源频率f、电机转差率s和电机极对数p的关系为：

(1)

由式(1)可以看出异步电动机的转速与供电电源的频率成正比，带式输送机的变频调速原理正是基于此，通过变频器将工频交流电转化成频率可变的交流电，若检测到带式输送机煤量增大，则提高变频器输出电压的频率以提高带速；若检测到带式输送机煤量减少，则降低变频器输出电压的频率以降低带速。变频调速技术的应用使得带式输送机的带速可控，提高了其工作效率。

带式输送机的变频调速系统包括变频电路、控制电路、传感电路和电源电路等部分。变频电路是主电路，一般采用“交-直-交”结构，通过整流电路将50 Hz交流电整流为直流电，将能量存储在由电容器构成的直流中间电路中，由逆变电路将直流中间电路的直流电逆变为频率、电压都可控制的交流电，图1为其简化原理图。控制电路在对传感器电路返回的信号进行运算处理后，对整流电路和逆变电路的可控器件进行控制，根据当前带式输送机正常运行时的工作状态适时调整逆变频率，在空载和异常状态，发出停机控制信号和报警信号。传感电路包括测量电机转速的传感器、测量变频器输出的电压传感器和电流传感器及其信号转换、处理电路等。电源电路对控制电路中的主控制器、ADC芯片等各类芯片、传感器进行供电。

图1 “交-直-交”型变频器原理图

2 带式输送机变频调速系统硬件设计

由于传统的带式输送机采用异步电机拖动，即CST驱动装置，因此目前很多企业对带式输送机的变频技术改造都是基于异步电动机的。目前最先进的变频调速技术采用永磁同步电机调速，与异步电机变频调速相比，硬件上具有较大程度的改进，省去了很多硬件装置，是未来变频调速技术的发展方向。

2.1 CST驱动装置

CST驱动装置包括一整套液力耦合器、异步电动机、减速器和油冷装置，最初的电动机控制采用继电器和接触器的组合，这种控制方式比较落后，已经被淘汰，目前机电一体化技术应用最广泛的一种控制器是PLC，图2为基于PLC的异步变频驱动系统电气连接示意图。该系统采用PLC对变频器进行控制，变频器向异步电动机供电，异步电动机依次通过液力耦合器、减速器和滚筒进行转矩传动，带式输送机依靠滚筒的摩擦力进行运动。

图2 基于PLC的异步变频驱动系统电气连接示意图

2.2 永磁同步变频驱动装置

图3为基于永磁同步电机的带式输送机变频调速系统电气连接示意图。变频器从移动变压器取电后，直接输出幅值、频率可控的电压给永磁同步电机使用，省去了CST驱动装置中的液力耦合器、减速器、油冷等装置，电动机经滚筒直接驱动胶带，使得机头的体积大幅度减小，机头的共振和噪声随之减小，由于油冷装置的风扇、泵和加热器等需要消耗能源，因此该结构效率更高，成本更低，发生故障的概率也降低，减少了维修成本。

图3 永磁同步变频驱动系统电气连接示意图

3 带式输送机变频调速系统软件设计

无论硬件结构是CST驱动装置还是永磁同步驱动装置，带式输送机变频调速系统的软件设计思路都是相类似的，都是基于煤量识别的调速系统。图4为一种典型的带式输送机变频调速软件流程。程序开始后，首先进行初始化，对各外围硬件和保护装置进行自检，同时对变量和定时器初始化；初始化完成后启动带式输送机，之后接收传感器的数据，并对当前载荷进行判断，如果轻载则降低频率和速度，如果重载则提高频率和速度；在转速降低或升高到一定阈值后，启动保护动作，防止带式输送机空载运行或过载运行。带式输送机常用的保护有防滑保护、烟雾保护、速度保护和纵撕保护等，只有将上述保护全部解除后才能再次正常启动带式输送机。

图4 典型的带式输送机变频调速软件流程

4 应用效果分析

(1)实现了主驱动电机的软启动。电机在启动时的电流很大，若皮带机在启动过程中时间很长(一般为55 s)，电网在此期间经受较大的冲击，同时电网中的其他电气设备也可能遭受损伤。在对带式输送机驱动系统进行变频方案改造以后，当电机启动时，转矩能够达到两倍额定转矩，变频器内的热量也能得到有效控制，以此提高了电机和滚筒的使用寿命。

(2)实现了多电机驱动的功率平衡。多电机同时驱动带式输送机时，如果电机的转速不一致，功率会出现不平衡，导致带式输送机的机械部分诸如减速器、滚筒和托辊等出现振动，降低其寿命。

(3)降低了带式输送机的维修成本。采用变频技术对带式输送机驱动系统进行改造后，输送带的转速得以大幅度降低，胶带和电机的机械损耗也变少了，维修人员工作量下降。

(4)节约电能。变频器输出的电压谐波小，对电网注入的电流谐波小，因此相比变频改造之前功率因数更高。传送带的速度可根据煤量传感器检测的煤量调整，根据实际工作经验，改造后的输送带70%时间内处于低速运转，电能节约在36%以上。

5 结束语

对带式输送机进行变频技术改造是目前煤矿企业流行的方案，采用变频调速技术配合煤量识别技术后，带式输送机能够避免“大马拉小车”，在胶带空载的时候将电机的转速降低，能够节省电费和避免机械损耗，对企业提效降耗具有实际意义。