下行胶带输送机的控制方案探讨

李金海，梁晓林，张巍川

1 前言

在灰岩矿山，开采出的灰岩首先经破碎车间破碎，再经过出料胶带机、中间胶带输送机、下行胶带输送机输送至厂区的灰岩预均化堆场（见图1）。

破碎车间设10kV配电站，并为破碎车间、出料胶带机、中间胶带输送机、下行胶带输送机的尾部驱动等配电，下行胶带输送机的头部驱动由厂区配电站供电。

胶带输送机的总输送长度为4610m，高度差为160m，最大输送速度为3.5m/s，额定输送能力为1800t/h。下行胶带输送机的高度差为165.5m。

2 下行输送系统传动方式的选择

下行输送采用能量回收的运输方式，不损失制动能量或使制动能量转换成热能，因此需要区分定速和变速两种不同的运行方式。

2.1 定速运行和能量回收

图1 工艺流程图

下行输送时，定速传动装置（如鼠笼感应电动机或绕线式电动机）接入电网通电后，由于其转子的速度必须小于电机的同步速度（定子磁场旋转速度），输送物料下行时，胶带输送机上的物料产生的下滑力与电动机的输出力叠加，使电动机的转子速度高于同步速度，此时电动机处于发电状态。

在定速传动情况下，不需要在电机上安装任何附加的装置就可以当电动机使用。在低于同步速度时，相对于电网频率的转差为负值，这时电动机只是一个驱动电动机，它驱动荷载并从电路中吸取能量。当荷载驱动电动机高于电网频率时，如下行胶带输送机一样，转差将为正值，电动机就处于发电状态，通过四象限变频装置将电能返回电网。

在可调速情况下，下行胶带输送机驱动装置通过四象限变频装置，就能实现电动机与发电机状态的良好转换。这种方法既可以满足调速的要求，也可以进行电能再生。

2.2 驱动装置的比较

2.2.1 定速驱动装置

鼠笼感应电动机具有非常有限的制动能力，只能用于小型设备中。制动电机只能采取关断、机械制动或用反向电流进行制动，而反向电流制动方法不常用，因为反向电流制动在换向的一瞬间会施加一个很大的反向扭矩，引起胶带打滑，使返回电网中的电流高于允许值。

出料胶带机输送距离短，电机功率小，本方案中采用鼠笼感应电动机，采用直接起动或软起动方式。

2.2.2 调速驱动装置

本方案中下行胶带输送机以调速驱动装置为基础，它具有四象限（4Q）性，矢量控制，不仅可以实现正向加速和制动，反向加速和制动，同时速度可调低至零速，降低胶带输送机打滑的可能性，采用四象限变频装置，甚至可以做到定位控制。

下行输送系统通常根据驱动电机的功率决定电机的电压等级。一般情况下，容量在1000kW或以上的下行胶带输送机，特别是输送距离较长的输送机采用10kV或6kV；容量在315～1000kW之间采用690V；容量在315kW以下的采用380V。不管电机采用何种电压等级，能量均可以回收，实现节约能源的目的。

3 基本情况（表1）

4 驱动方法

4.1 可供选择的驱动方法

输送机的驱动方案可为单驱动或多驱动系统。单驱动系统由独立变频器组成，包括整流器和逆变器；而多驱动采用一个共同的整流器和DC母线，但逆变器是独立的，它的控制是相互独立的。驱动方案的选择基本取决于输送机中对驱动装置的布置。按照目前的方案，下行胶带输送机尾部两台驱动电机采用多驱动装置，下行胶带输送机头部的一台驱动电机采用单驱动装置。

本项目中下行胶带输送机的驱动电机功率为315kW，可以选择380V的变频装置，也可以选择690V的变频装置。采用380V的变频装置，直接连接至电力室的低压母线上，其功率单元的电流是690V的2倍，功率单元及逆变器的价格较高；采用690V的变频装置，会增加整流变压器（容量约为450kVA左右），但功率单元的电流仅是380V的1/2，功率单元及逆变器的价格相对较低。综合比较，采用690V变频装置比较经济（需要说明的是，不同的品牌价格不一样）。

在这个项目中，分别在破碎车间附近、下行胶带输送机尾部（中间胶带输送机头部）和下行胶带输送机头部各设置了一个电力室，电力室距驱动电机的距离小于100m。

4.2 变速驱动方法

4.2.1 单驱动配置的基本原理（图2）

头部变频装置由10kV配电站、10/0.72kV配电变压器、滤波装置、功率单元、逆变器等组成。

4.2.2 多驱动系统的基本原理

与单驱动装置不同，多驱动系统带有自己的整流器、DC母线和逆变器。多驱动系统在“中心”单元产生所需的DC电压，并将其输入共用DC母线中，母线连接专用的、独立运行的逆变器。单驱动所要求的所有性质多驱动也具备。对于多个驱动装置放置在同一个地点的胶带输送机来说，带有共用DC母线的多驱动系统是最佳选择。如果系统拥有一个以上胶带输送机，那么驱动装置将被固定放置在转运点上，以便两条输送带的传动装置可以连接成一个多驱动系统，但每一个系统必须单独考虑以找到最佳设计方案。

表1 胶带输送机的技术参数

图2 头尾部变频驱动方案

与共用DC母线相连接的独立变频器不必具有相同的额定功率，相反，多驱动机组可由大小完全不同的驱动装置组成，功率输出以及电动机速度也可以不同。总的电机额定安装功率不应超过中心输入馈电电桥的额定功率。所有独立电动机的端电压应是相同的，因为可变的变频器输出电压取自共用的DC母线。每个变频器单独与总控制系统相连接，这样才能对电动机独立控制。每个变频器模块具有四象限驱动的固有电容。

5 控制方案

下行胶带输送机长4127.207m，在头端装有一台额定功率为315kW/690V的电动机，尾部装有两台额定功率为315kW/690V的电动机。三台电动机完全相同，可以互换，所以只需一台备用电动机。

多驱动系统设置在下行胶带输送机的尾部电力室，采用一台容量为1000kVA的变压器。两台电动机分别装有独立的逆变器，逆变器与共用的DC母线相连。这些逆变器的运行是彼此独立的，并带有各自的Profi⁃bus-DP与计算机控制系统相连。

6 安全防护

6.1 紧急制动

下行胶带输送机所用的防护方法与其他下行或上行输送设备所用的方法相同。运行时，载有物料的下行反馈输送机必须保证供电防止停机，驱动装置的供电中断和机械损坏都会引起胶带和荷载失控，正确进行制动则是防止这种情况发生的关键。实际上，所有高度发生变化的输送机，除了驱动装置自己提供的制动力外，还需要一个机械制动装置，该装置可在驱动装置无法制动时使用，并对停止后的输送机起固定作用。

对于下行胶带输送机来说，还需要施加一个调节扭矩，使荷载以合适的速率减速。扭矩过高会造成胶带应力过高，并在制动胶带辊和胶带之间出现打滑。当胶带辊和胶带之间的阻力下降且胶带起动打滑时，情况就会变得很危险，这时几乎无法将胶带停下来。这就是为什么要用驱动装置以正常的制动方式施加一个20s的调节扭矩的重要性，这种扭矩也可用制动器施加。通过测定并比较两个速度值可检测胶带是否打滑。第一个速度可在驱动电动机上或驱动辊上测得，另一个是输送机系统的空转速度或直接从胶带上测得。如果检查出胶带打滑，应立即松开制动直到两个测速点上的速度相同，随后通过调节制扭矩重新制动。另外，制动器必须能够提供足够的固定力，使装满物料而又停运的输送机安全地保持静止。

6.2 用机械制动调节制动扭矩

只用电动机来制动相对较简单，因为制动扭矩与电动机（发电机）的电流有直接的关系，只要调节电流就可直接调节扭矩。而在紧急情况下使用的机械制动需要一些附加的机械调节装置才能施加合适的制动扭矩。要做到这点需结合使用荷载传感器，这些传感器测定制动扭矩，然后通过液压系统将正确的制动信息提供给盘式制动器，在这些信息的基础上，施加合适的制动扭矩而不会给胶带施加应力。

6.3 胶带控制

胶带输送机系统要求有一个包括驱动控制器和胶带控制系统控制的控制系统。驱动控制器提供起动、运行和停止所需的速度和扭矩。控制系统根据胶带机的各种保护装置的状态，执行运转和停止指令，如跑偏、打滑、撕裂、张紧力调整、拉绳等。对于输送口的下料料斗还应设置料位开关，以正确反映出胶带输送机的进料情况。胶带控制系统包括胶带机的各种保护装置、操作员站、起动信号系统、联锁、起停顺序、调速及能量回收等。

6.4 保护措施

放置在下行胶带输送机上的大量物料储有很高的势能，任何情况下都必须保证安全控制。从人员和设备的安全考虑，需要遵守较高标准。拉绳开关是为紧急情况下安全操作考虑的，由一条沿输送机设置的钢丝绳操控。任何一点拉住钢丝绳都会使拉绳开关动作，开启安全紧急停止电路或机械制动器。每个开关是双向的，上有两根方向相反的钢丝绳，内部的弹簧机构使拉绳开关具备自动复位功能。由于拉绳（钢丝绳）的悬挂环的阻力、钢丝绳自身重力以及钢丝绳与拉绳开关连接位置的角度关系，双向拉绳开关的设置间隔应为20～30m，以保证拉绳开关的灵敏性。跑偏开关设置在胶带的两侧，用于检测胶带偏离中心线的程度，分轻度与重度跑偏，轻度跑偏报警，重度跑偏就需停机检修，因此跑偏开关的安装位置应与胶带机的运行保持一致，减少误停情况。

拉绳开关是作为紧急情况设置的，比如，有设备及人身安全情况发生时，需要立即停止胶带输送机，拉动拉绳开关的钢丝绳，胶带输送机就应立即停止，因此拉绳开关的触点直接接至控制回路中，不经过计算机柜I/O点。这是常规使用的方法，其优点是直接、可靠；缺点是控制电缆随胶带输送机的长度而增加，成本较高，由于控制电缆电压降的原因，无法应用于较长的胶带输送机，计算机系统也无法记录是哪个位置拉绳开关动作了。另一种编码通信式拉绳开关，通过网线或光纤连接各个拉绳开关，连接至计算机系统，优点是适用于任何长度的胶带输送机，计算机系统可以根据编码记录下哪个位置拉绳开关动作了，缺点是不直接作用于控制回路，可能会由于通信或计算机系统的原因发生拒动的情况。跑偏开关反映胶带输送机胶带的运行情况，经过计算机系统I/O柜，可以记录胶带输送机的运行情况，为检修保养提供必要的数据。对胶带输送机可以通过检测胶带及比较滚筒速度，判断是否出现打滑情况，从而计算机系统起动电动制动装置或调整液压拉紧装置，或调整胶带输送机的速度。

7 发电量的估算

目前还没有较为精确的计算方法计算下行胶带输送机的发电量，本文现探讨一种简易的方法,主要用于效益的估算。

由于下行胶带输送机的能量传输主要是势能转换为电能，考虑到机械、空气、摩擦、效率等因素，估算的综合系数k取0.45～0.55。

根据势能的定义：E=mgh

按单位时间内势能考虑，由于单位时间内产生的势能是落差、流量、时间的函数，故：

因此，势能转换为电能：P=kE

按额定流量考虑：

即：1h可以提供364～446kWh电能。

式中：

E——势能，J

P——功率，kW

ΔQ——流量，kg/h

g——重力加速度9.8m/s2

Δh——高度（落差），m

Δt—时间，h

按照每天两班、每班8h的设计运转时间计算，胶带机连续工作时间为14～16h。

每天的发电量为：5096～7136kWh。

按照工业用电价格小于一般工商业及其他用电价格为0.906元/kWh计算：每天节约电费约为4600～6465元。

8 结语

对下行胶带输送机采用四象限变频装置，不仅可以解决胶带输送机的正常运行问题，同时回收的电能可以大大降低运行成本。