高压变频调速一体机在刮板输送机上的应用

李祥千 刘锡安

摘 要：本文通过高压变频调速一体机在采煤工作面刮板输送机上成功应用的实例，详细叙述了高压变频调速一体机在刮板输送机上的应用，并论述了其对采煤工作面的安全、节能和提高自动化程度等方面所带来的变革。通过一种全新的控制思路，解决刮板输送机上多驱动的功率平衡问题。为变频调速一体机在刮板输送机、带式输送机、转载输送机等大型运输设备上的应用提供了理论基础和实践经验。

关键词：刮板输送机；高压；变频调速；一体机；功率平衡

中图分类号：TD634 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0186-02

1 概述

刮板输送机是采煤工作面配套设备的重要组成部分，是煤炭开采后运输的第一个环节。其结构、驱动方式、运转的可靠性和使用寿命等，都将直接影响煤炭开采的生产效率和经济效益。

刮板输送机已经发展多年，关于其驱动方式也在不断发展、更新。目前主要驱动方式有双速电机直接驱动、电机加液力耦合器驱动、电机加CST驱动、变频器加电机直接驱动等。变频器驱动刮板输送机是近几年应用于煤矿生产的新技术，在变频驱动的基础上进一步优化驱动方式，使用高压变频调速一体机驱动，是刮板输送机驱动技术的全新尝试。对刮板输送机驱动技术的变革具有重要意义。

2 控制方式

在工作面控制台上布置一台KXJ-127矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱，一体机和控制箱之间采用CAN总线进行通讯，通讯协议采用CANOPEN。

控制箱接收控制台的启停信号、正反转信号、检修模式信号，然后通过总线控制高压变频调速一体机的启停、方向、转速和工作模式等。

3 多驱动功率平衡的实现

刮板输送机采用机头、机尾两部驱动，两部驱动用链条连在一起。驱动连接方式跟带式连接和齿轮连接相比有所不同；刮板输送机的负载于其他运输设备的负载相比也有所不同：

（1）刮板输送机采用刚性链条连接，属于刚性连接。但是链条都有一定的余量，刮板输送机越长，链条余量会越大。刮板输送机启动时两台驱动的速度和转矩都不会同步；（2）刮板输送机的负载主要是上方的落煤，但是在运行时煤炭不可避免的会进入刮板输送机底部，造成拉回煤现象，影响两台驱动的功率平衡；（3）刮板输送机在运转时落下大的块煤、岩石或在推溜的过程中刮板卡滞，都会带来负载的突变，但是这种负载突变属于正常现象，不能停机保护。且突变的负载也为负载功率平衡的实现增加了难度。

3.1 直接转矩控制

直接转矩控制（DTC）控制技术是目前比较流行的变频调速控制方式之一。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。

3.2 多驱动功率平衡的实现

刮板输送机驱动采用的高压变频调速一体机，其核心变频控制方式为直接转矩控制模式。即以电机的输出转矩为控制变量。在多驱动使用时，以其中一台高压变频调速一体机的输出转矩为参考，比较被控高压变频调速一体机的输出转矩，通过PID运算，使用PID运算的输出值来校正被控设备的转速设定。

PID调节基本运算方程为：

y=Kp[e（t）+e（t）dt+Td

式中：e（t）為输入偏差值，即参考高压变频调速一体机的输出转矩值和被控高压变频调速一体机的输出转矩值的差值；

Kp为调节比例系数。根据链条松紧状况，可以调整此参数优化速度控制。

Ti为调节积分时间。Td为调节微分时间。通常Td为零。即整个调速过程实际为PI调节。

高压变频调速一体机的控制引入PI调节后，正常运行状态下两台设备这件输出转矩基本保持一致，达到运转过程中功率平衡的目的。

如前文所述，刮板输送机是运行工况比较复杂的设备，实际使用时会存在各种各样的特殊情况。图1是两台设备实际运行转矩曲线图。可以看出，两台电机之间转矩存在周期性波动。根据实际现场，波动原因是刮板输送机链条存在一段旧链条。新旧链条不匹配会曲线图1曲线。

在实际应用过程中，变频调速控制的刮板输送机能为现场检修和分析问题提供可靠的分析数据。这也是刮板输送机应用变频调速驱动的一大优势。

4 变频调速控制在刮板输送机检修时的运用

刮板输送机在使用过程中，因为煤层变化或刮板、链条的疲劳，经常会需要截短、增加或更换链条跟刮板。在这个工作过程中，刮板输送机需要运行在很低的转速，达到固定位置后停车并抱闸。这个过程一般需要刮板输送机配套液压马达来实现。因为性能和安全的原因，这个功能在双速电机、液力耦合器甚至变频器等驱动方式上无法实现替代液压马达，见图2。

高压变频调速一体机的使用，配套减速机机械制动装置，实现了替代液压马达的功能。实现替代液压马达功能需要具备以下条件：

（1）电机需要极低的运行转速。高压变频调速一体机由于变频器和电机集成在一体，低速性能比变频器加变频电机的方式更加优越。高压变频调速一体机可以在100转/分低速下稳定运行。（2）高压变频调速一体机带直流抱闸功能。使用直流抱闸保持功能可将电机转子锁定在零速。当速度给定和电机速度均降到预设的直流保持速度以下时，传动单元使电机停止并将直流注入电机。当速度给定再次超过直流保持速度时，传动单元重新开始正常工作。图2为直流抱闸功能曲线示意图。（3）高压变频调速一体机直流抱闸功能配合减速机机械制动装置，在功能性和安全性上达到现场操作要求。

5 变频调速一体机驱动刮板输送机时的链条保护功能

常规的刮板输送机驱动方式，一般在电机和减速机之间加摩擦限矩器来限制电机传递到减速机的最大转矩，保护刮板输送机链条在过转矩情况下拉断。

高压变频调速一体机采用直接转矩控制方式，电机输出转矩为被控量，即电机本身输出的转矩值是可以通过变频部分来控制的。限制高压变频调速一体机的最大输出转矩，即等效于摩擦限矩器的效果。

也即是说，采用高压变频调速一体机驱动的刮板输送机，不需要在附加额外的转矩限制设备。

6 经济效益

（1）节省电能：刮板输送机在使用过程中经常会有频繁启停车的现象，采用工频直接启动，会浪费大量电能。采用高压变频调速一体机后，消除了頻繁启车对电能的浪费，并且提高了电机功率因数；（2）消除了对电网的冲击：采用工频启动，电机功率越大，对电网冲击越大。使用现场一般采用错时启动的办法来减小其影响。并且长距离供电时，必须增加电机电缆的截面积来减小启动时的电压降。这些都增加了设备和资金投入。采用高压变频调速一体机驱动则不存在对电网的冲击，并且选择电缆时只需考虑电缆的耐压和载流量即可；（3）减小不必要的磨损，提高设备使用寿命：刮板输送机在运行过程中对刮板和链条的磨损是非常大的。随着链条的磨损，断链的风险也会增加。采用变频调速一体机驱动，可以根据采煤机位置和运煤量实时调节刮板输送机的运行速度。减小刮板和链条的磨损；（4）使用简单、方便：采用高压变频调速一体机驱动，可以取代高低速切换、液力耦合器、CST等软启动方式。电机和减速器直接连接，使用简单；变频调速一体机可在2Hz以下运行，刮板输送机使用期间翻链子、上刮板等检修工作，原先需要绞车或液压马达等其他驱动设备，高压变频调速一体机具备低速检修模式，可以替换液压马达等附属设备；（5）高压变频调速一体机具备转矩保护功能，节省了附加转矩保护设备的投入。

7 结语

刮板输送机是煤矿采煤生产使用的传统设备，其驱动方式随着科技进步也在不断变化。采用高压变频调速一体机驱动是目前比较先进的驱动方式。刮板输送机是煤矿井下使用条件复杂，环境比较恶劣的运输设备，高压变频调速一体机在刮板输送机上的成功应用，为其他运输设备使用变频驱动提供了实践经验。对提升矿井自动化，节省高效生产具有重要意义。

参考文献

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