刮板输送机变频控制研究

李立晶

（山西焦煤汾西矿业集团公司曙光煤矿，山西孝义 032300）

0 引言

随着矿井生产能力不断提升，对刮板输送机运输效率提出更高要求。刮板输送机采用传统液力耦合器（调速型）完成设备软启动存在设备维护工作量大、成本高、结构复杂等弊端，且不适宜长时间低速运行[1-3]。随着科学技术不断前进，变频控制技术在工矿领域中的应用逐渐广泛[4-5]。将变频控制应用到大功率刮板输送机控制方面，实现多驱动电机功率平衡及刮板链故障停机保护功能，采用直接对轮连接代替传统液力耦合器，提升机械效率。采面刮板输送机采用变频控制也为矿井实现数字化管理创造良好条件[4-5]。因此，本文对3 300 V高压BPJV1-2000/3.3高压变频器工作原理进行阐述基础上，结合采面刮板输送机运行状况，对高压变频器在采面刮板输送机中应用特性进行分析。

1 高压变频控制系统

1.1 系统结构组成

刮板输送机变频控制系统结构可以分为两个部分：控制回路与主回路。具体如图1所示。

控制回路主要由地面监控中心、集中显示器、集中控制器（TK200）、信号采集装置、通讯传输系统等部分组成[6-7]。集中显示器功能为：（1）操控人员通过集中显示器设置刮板输送机速度；（2）集中显示器可以显示最多3台高压变频器输出电流、电压值，显示刮板机驱动电机输出扭矩、转速等数据及运行曲线；（3）将变频控制系统通过通讯传输系统传输至地面监控主机，为调度人员作出决策提供依据；（4）通过液位、温度等传感器对驱动电机减速器液压油位及油温进行采集监测。集中控制器（TK200）采用硬接线方式控制变频器控制系统开启、急停、停机等，实现与采面其他设备启停闭锁联动功能。

图1 变频器结构组成

主回路给刮板输送机运行提供动力，具体线路布置为矿井10 kV高压线路经过中央变电站后输出2条1903V线路，接入到BPJV1-2000/3.3高压变频器，变频器对输入电压进行变频，从而使得刮板输送机驱动电机接入电路频率在0～50 Hz，实现刮板输送机调速控制。

1.2 控制流程

刮板输送机变频控制系统流程如图2所示，具体控制过程为：（1）变频控制系统通电后（380 V），系统首先进行自检工作，检查控制回路中是否出现故障，若有故障则在显示屏上显示故障代码；（2）作业人员通过操控变频控制向移动变电站发出合闸指令，移动变电站在合闸过程中若检测到故障，则自动调整，停止向变频器供电，若无故障则顺利合闸，向变频器通电，变频控制系统进入到准备启动阶段；（3）作业人员通过中央控制台设置采面刮板输送机运行参数，通过集中控制器（TK200）进行前期先导软启动；（4）变频控制系统运行过程中，若采面出现故障停机或者闭锁现象，变频器停止供电，并显示故障代码，系统重新启动则需要重复步骤（3），若设备出现设备跳闸故障，变频器同样会立刻停止向驱动电机供电，并在显示屏上显示故障代码，系统重新启动则需要重复步骤（2）。

2 技术特征

2.1 电机负荷均衡

大功率刮板输送机采用多台驱动电机，根据刮板输送机运行特性，为了更好实现驱动电机负荷均衡，变频器控制采用主—从方式[8]。从变频器依据主变频器运转结果，合理确定自身输出电流频率，实现主从驱动电机负载均衡。根据刮板输送机运特征[9]，将机尾变频器作为主机、机头变频器作为从机，集中控制器（TK200）向机尾主变频器发出运行指令，从机通过CAN通信方式从主机获取控制指令，最终实现主从3台驱动电机功率平衡。

2.2 断链停机保护

刮板输送机运行过程中会常出现卡链、馈链等现象，严重时会造成刮板输送机链条出现断裂事故，给采面正常带来不利影响[10]。2018年3月刮板输送机链条出现断裂，变频控制启动捕捉到的电机电流变化情况如图3所示。从图中可以看出，刮板输送机刮板链出现断裂瞬间，输入到机尾驱动电机电流变化曲线有4处位置出现显著降低，电流降低率超过70%。因此，通过检测输入到驱动电机的电流降低率来实现对刮板机链是否断链进行预判，预测出断链事故发生后及时停机保护，避免驱动电机继续拖动刮板链，降低链条修补时间。刮板链合理参数对确保刮板输送机正常运行具有重要影响，具体为：实际设置驱动电机瞬间电流下降率预警值为70%，预警值设置过大会加大断链漏报概率；当设定值偏小时，对链条卡链、馈链、煤壁片帮等情况出现误报概率加大。对瞬间电流进行检测时间设定为10 s。

图3 刮板链断裂瞬间驱动电机的瞬间电流变化情况

图4 机尾驱动电机电流及转速变化图

2.3 滑差率保护

刮板输送机正常运行过程中，刮板链出现卡链、煤壁出现片帮等情况时驱动电机出瞬间堵转可以接受，若长时间高频率出现堵转，有可能引起刮板输送机结构损坏或者刮板链断裂，给采面正常生产带来严重影响[11]。刮板链断裂过程中记录的机尾驱动电机电流及转速变化如图4所示。

采面刮板输送机采用的型号为HXW95-1600KW/3300V驱动电机，额定工作电流A=332.4 A。电机出现堵转时电流Ad一般为额定工作电流值A的1.2倍，则转时电流Ad=398.88 A，该数值与图4中的A电对用的电流值较为吻合，现实在图4中A时间点刮板输送机出现堵转情况。刮板输送机出现堵转后，驱动电机运行状态由恒转矩转变成恒功率，输送到驱动电机中的电流值持续增加，电机转速则呈降低趋势。

变频控制可以通过滑差率保护措施，实现对刮板输送机保护。当刮板输送机驱动电机滑差率、持续时间等参数值均在30%、2.5 s以上时，则可以判定刮板输送机出现断链或者摩擦事故，需要停机进行处理。

2.4 转距保护

采面工作环境恶劣，刮板输送机常需要重载启动，要求变频控制系统在刮板机重载启动初期可以提供足够的转矩；但是刮板输送机正常运行过程中仍保持较大转矩，一旦出现卡链、馈链故障，在较大转矩作用下很容易造成刮板机链条出现断裂[12-13]。因此，在刮板机启动及正常运行阶段应分别设置转矩上限、电流上限。现阶段变频器在启动时可以提供2.2倍额定转矩、额定电流，正常运行时的转矩及电流值可以通过变频器显示屏进行设置。根据矿井1226采面变频器存储的运行数据，正常运行时设置的变频器输出扭矩及电流上限值为1.5倍额定转矩、额定电流。

2.5 运行远程监控

机尾主变频器通过CAN总线获取机头2台从变频器运行数据，数据通过RE-485通信网络传输至中央控制台（PLC控制器），后通过控制台信息传输模块、井下通信网络等将刮板机运行参数传输至地面监控中心。

3 现场应用

矿井1226采面采用BPJV1-2000/3.3高压变频器，采用水冷方式，变频控制系统具备过载、短路、断链及堵转等保护能力，具体参数如表1所示。通过变频器后，可以输出0～3 300 V电压、5～50 Hz电流频率及0～290 A电流值。

截止到2018年11月，1226采面已顺利推进1 300 m，原煤生产量达到300万t，采面平均日产煤量在1.5万t，刮板输送机运行平稳，故障率以及电力消耗显著降低。

表1 BPJV1-2000/3.3变频器输入参数

4 结束语

刮板输送机变频控制系统具有较强的可靠性、高启动转矩、调速范围宽、运行维护成本低等优点。在矿井自动化水平的不断提升、井下作业人员数量不断减小背景下，变频控制系统在矿井中的应用会逐渐增加。BPJV1-2000/3.3高压变频器在矿井1226采面采用现场应用也取得显著效果，应用前景较好。