带式输送机多电机驱动节能控制功能的实现

朱小军

（西山煤电（集团）有限公司西曲矿， 山西 古交 030200）

引言

带式输送机为煤矿运输的主要设备，随着综采工作面采煤工艺及采煤设备自动化水平的不断提升，带式输送机朝着长距离、高运速以及低能耗的方向发展。为了满足工作面大运量的需求，目前主要以多电机完成对带式输送机的驱动控制[1]。多电机驱动的带式输送机容易产生功率不平衡和能耗增加的问题。因此应在实现多电机带式输送功率平衡控制的基础上实现对设备的节能控制。

1 多电机带式输送机存在的问题及解决方法

对于多电机带式输送机而言，实现设备的平稳启动、保证实际运行过程中功率平衡以及保证设备能够满足煤矿运量要求为其驱动要求。从总体上来讲，解决多电机带式输送机的启动问题是保证其基本驱动功能的关键，一般的多电机带式输送机在启动过程中常存在如下问题：

1）带式输送机张紧力控制不均匀导致在启动阶段拉断输送带；

2）在负载或者重载情况下启动由于驱动滚筒与输送带之间的速度不一致，导致输送带出现打滑现象，严重情况下会导致输送带着火；

3）每个驱动电机的功率不一致，导致电机驱动轴转速不同，从而导致切轴现象的出现[2]。

本文所研究多电机带式输送机的参数如表1所示。

带式输送机在实际运输煤炭、物料过程中导致其能耗过大的原因主要可以归结为两点：其一，由于设备长时间处于轻载运行状态，即设备运行效率降低；其二，设备驱动电机本身效率降低，从而导致电能损失较多，进而造成损耗严重。因此，可从上述两个方面解决多电机带式输送机耗能严重的问题，即从设备和控制两个层面。其中，针对设备层面主要是保证运输系统与和设备的匹配程度，降低设备的运行阻力，从而降低设备运行能耗。针对控制层面可通过如下节能技术实现：

表1 多电机带式输送机相关参数统计

1）在系统层面为其配置超越离合器，根据工况需求增减运行电机的数量；

2）采用逆序启动方式解决后续皮带的空转损耗，此方法仅适用于设备的启动阶段，其节能效果有限；

3）采用星-三角节法电机实现节能降耗，此方法虽然节能效果显著，但是其仅适用于短距离、小功率的设备；

4）采用变频调速技术实现节能降耗功能，该方法不仅效率高、调速范围广，而且具有良好的软启动和软停机性能[3]。

2 节能驱动系统设计

2.1 节能驱动系统的总体设计

变频调速技术的核心在于基于PLC 控制器通过变频器实现对设备电机转速（频率）的时控制。本文所研究多电机带式输送机电机的布置方式为机头布置，且具体布置比例为2:1，对应的多电机带式输送机变频调速节能控制系统的总体结构如下页图1 所示。

为实现节能驱动系统控制的实时性和直观性，通过通信数据传输线将其PLC 采集的带式输送机的实时运行状态上传至上位机并实时显示。

图1 多电机带式输送机节能驱动系统的总体结构示意图

2.2 变频器的选型

根据变频器频率控制原理的不同可分为交直交变频器和交交变频器。其中，交交变频器由于其可控制频率范围较窄导致其不常被应用；而交直交变频器对应可调频率范围较宽，且可实现平滑无极调速的功能。因此，本方案选择交直交变频器。

鉴于多电机带式输送机对应的负载类型一般为恒转矩，对变频调速系统的要求较高，即对变频器的性能要求较高[4]。综合交直交变频器各种控制方式的设备，最终确定选择矢量控制方式的变频器，其对应的配置情况如图2 所示。

图2 矢量控制变频器结构配置示意图

如图2 所示，所选矢量控制变频器的核心为SIMOVERT MV 电机，该电机具有启动电流小、力矩大以及启动时间可控制等特点，可减少系统内部机械磨损，为降低系统的损耗奠定基础。根据多电机带式输送机驱动电机对应电机的额定电压为2.3 kV，额定功率为1 000 kW，对应选择变频器的输出电压也需与2.3 kV 相匹配，综合分析最终选型变频器的具体型号为6SE8014-1AA01，其对应的具体参数如表2 所示。

2.3 其他器件的选型

多电机带式输送机驱动系统除了核心变频器外，另一核心器件为PLC 控制器。PLC 控制器的选型需根据节能驱动控制系统对应的输出、输入数量进行综合统计后确定。针对多电机带式输送机的节能驱动系统而言，除了其关键的节能控制功能外，还需具备带式输送机控制系统的一般功能包括有对煤位、烟雾、拉紧、温度等实时运行参数的监测，还需对拉紧装置、洒水装置等进行控制。综合统计得出节能驱动控制系统输入、输出量的统计如表3 所示：

表2 6SE8014-1AA01 变频器参数

表3 节能驱动控制系统开关量与模拟量统计

根据如表3 所示节能驱动控制系统需控制开关量和模拟量的统计，综合当前应用于工业中可靠性较高的PLC 控制器类型，最终选择采用西门子系列的S7-300PLC 控制器。结合表3 中开关量和模拟量的统计结果，为S7-300PLC 控制器配置对应开关量输入模块的类型为SM331（8 位），数量为两个；对应模拟量输入模块的类型为SM321（8 位），数量为一个；对应开关输出模块的类型为SM323（8 位），数量为一个。

变频调速系统控制的核心根据输送带的运量通过变频器对输送带的速度进行实时控制。

3 节能效果验证

针对某煤矿煤炭的运输量按照1 300 万t 核算[5]，由上页表1 可知其在满载运行状态对应的运量为4 000 t/h，带式输送机的带速可在1～5.5 m/s 运行。在传统驱动控制系统下，该矿三电机带式输送机满载运行时间为总共工作时长的60%，在非满载运行的时间占总工作时长的40%。

经计算可得：该矿在满载运行状态下的时长为1 300 万 t÷4 000 t/h×60%=1 950 h；在非满载运行状态（输送带运行速度按照2 000 t/h 计算）下的时长为1 300 万t÷2 000 t/h×40%=2 600 h。当设备在满载运行状态下对应三电机的总功率为551 kW，则在满载状态下所消耗的电能约为551 kW×1 950 h=1 074 450 kWh；当设备在非满载运行状态下对应三电机的平均总功率为374 kW，则在满载状态下所消耗的电能约为：374 kW×2 600 h=972 400 kWh。则可得出，在传统驱动控制系统下所消耗的总电能为1 074 450 kWh+972 400 kWh=2 046 850 kWh。

当采用节能驱动控制系统后，针对在非满载运行工况下其对应输送带的速度较满载状态下减半，此时对应三电机所消耗的总功率为246 kWh。则，可得出在节能驱动控制系统下可节约电能为（374-246）×2 600=332 800 kWh。

4 结论

1）基于变频器和PLC 控制器实现对多电机带式输送机的节能控制，其中所选型变频器的具体型号为 6SE8014-1AA01，PLC 控制器的具体系列为S7-300。

2）实践表明，采用基于变频调速控制技术后的多电机带式输送机每年运输1 300 万t 煤炭可节约电量约为332 800 kWh。