变频控制系统在矿用带式输送机中的应用

王志广，王朋飞

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

我国是煤矿资源开采和使用大国，为顺应社会经济的高速发展，每年都需要开采大量的煤炭资源。随着煤矿开采效率的不断提升，对煤矿运输的要求越来越高[1]。带式输送机以其显著的优势，比如可以实现连续运输、成本低、结构简单等，在矿井中得到了非常广泛的应用[2]。驱动装置是带式输送机中非常重要的结构部件，会对设备的启动及其运行过程稳定性造成直接影响。如果可以利用优良的控制策略对带式输送机的启动和运行过程进行稳定性控制，那么设备启动过程中的冲击就会大大降低，运行过程的能耗也能得到很好的控制[3]。基于此，人们尝试将变频控制技术应用到矿用带式输送机中，并取得了一定的成果。本文在分析矿用带式输送机实际情况的基础上，将变频控制系统应用到工程实践中，对设备的启动过程、运行过程以及多电机之间的功率平衡进行控制。对于提升设备运行的稳定性和可靠性、延长设备使用寿命具有重要的实践意义。

1 带式输送机整体结构概述

以DTL120/200/2×315型带式输送机为例进行阐述，典型的带式输送机整体结构如图1所示。由图1可知，带式输送机由很多结构件构成，其中最重要的结构包括胶带、驱动滚筒、换向滚筒、张紧装置等。设备由2台315 kW的电机同时驱动，电机输出的动力经过减速器后，带动驱动滚筒旋转，驱动滚筒通过摩擦力带动胶带运行，煤矿物料放置在胶带上，达到运输的目的。

图1 带式输送机的整体结构Fig.1 Overall structure of belt conveyor

传统的带式输送机在启动和运行阶段存在的问题主要表现在以下几点[4-5]：①启动时胶带运行速度由零迅速增加到运行速度，该阶段胶带需要承受很大的作用力，严重时会导致胶带发生断裂。同时，运行速度的快速改变会对设备造成很大的冲击，降低设备的使用寿命；②DTL120/200/2×315型带式输送机由2台电机同时驱动，如果电机之间的输出转速存在差异，则2根驱动轴就会承受较大的作用力，可能引发断轴问题。可以看出，传统的带式输送机在启动和运行过程中仍然存在一定的缺陷问题，有必要利用先进的变频控制系统对其启动及运行过程进行控制。实现设备的软启动以及电机之间的功率平衡，从整体上提升带式输送机运行过程的稳定性和可靠性。

2 变频控制系统的整体方案及基本原理

2.1 整体方案设计

近年来，变频调控技术以其节能、环保等显著的优势，在很多领域都得到了广泛的应用，且技术日益成熟[6]。实践过程中，变频器和PLC控制器的配合使用可以实现设备运行速度的精确控制。带式输送机变频控制系统的整体方案如图2所示。由图2可知，变频控制系统为每台电机分别配备了变频器，运行时利用传感器对电机的输出转速及胶带的运行速度进行检测，利用PLC控制器对检测结果进行分析对比。基于分析结果对2台变频器进行控制，变频器输出不同频率的电源，最终实现电机转速的控制。所有数据信息通过PLC控制器传输到上位机中，并存储到数据服务器中以便后续调取，同时会在监控显示屏中实时显示带式输送机的运行状态。

图2 变频控制系统的整体方案Fig.2 Overall scheme of frequency conversion control system

变频控制系统需要完成的任务主要包含2个方面：①对设备的启动过程进行控制，实现设备的软启动，降低启动过程产生的冲击；②实现带式输送机2台电机之间的功率平衡控制，确保2台电机的输出扭矩保持相等，提升设备运行的稳定性。

2.2 变频调速基本原理

目前在主流的工业领域使用较多的变频器主要有2种类型：①交交变频器；②交直交变频器[7]。前者由于可调整的电源频率范围较窄，应用较为薄弱，后者可以实现电源频率很大范围的调整，应用更加广泛。本系统充分考虑以上2种变频器的特点，最终选用的是交直交变频器。交直交变频器的原理如图3所示。基本原理是通过整流装置将交流电源转变成为直流电源，然后再通过逆变器将直流电源转换成为电压和频率都可以调整的等效交流电源。

图3 交直交变频器的原理Fig.3 Principle of AC-DC-AC inverter

另外，电机的输出转速与电源频率大小之间的关系可用以下公式进行描述：n=60f(1-s)/p，其中，s、p分别为电机的转差率以及电极对数，当电机给定后，该2项数值为定值；n为电机的输出转速；f为电机电源的频率大小。

根据以上原理可知，电机电源频率与其输出转速呈正比。通过在电机前侧增加变频器来控制电机电源的频率，就可以实现电机输出转速的控制。

3 变频控制系统主要硬件的选型设计

3.1 变频器的选型及结构

结合实际情况，选用6SE8014-1AA01变频器，该变频器的输入电源频率为50 Hz，输出电源频率可以在0～100 Hz范围内根据实际情况进行调整，额定功率和额定电流分别为1.4 kW和350 A，电网功率因数超过0.96。6SE8014-1AA01变频器的结构如图4所示。

图4 6SE8014-1AA01变频器的结构Fig.4 6SE8014-1AA01 frequency converter

由图4可知，变频器主要由直流母线、逆变器和整流器等基本功率单元构成。其中，直流母线由中间回路和放电晶闸管构成，且中间回路中配置有电容器；整流器由2个三相二极管桥进行串联构成；逆变器通过中点二极管和HV-IGBT构成。

3.2 变频变压器选型

系统选用的6SE8014-1AA01变频器必须通过三绕组变压器对其进行供电，低压侧绕组还需要按照变频器实际的整流桥脉波数量提供对应相位移的电源。选用的变频器脉波数量为12，则低压侧绕组的相位移应该控制在30°。另外，为了防止电源波动对变压器性能造成不良影响，选用的变频变压器必须具备很好的感抗。基于以上要求，最终选用的变频变压器型号为ZBS-M-1500KVA，基于油浸方式对其进行冷却，为了确保冷却效果，冷却介质的最高温度不得超过40 ℃。变压器低压绕组和高压绕组的额定容量分别为750 kVA和1 500 kVA，输出的电压波动范围可以控制在±10%以内。变压器低压侧和高压侧的电压值分别为1 200 V和10 kV。

3.3 断路器选型

断路器设置在交变变压器的前端，作用是对变压器电压和电流进行切断处理。断路器主要由两大元器件构成，分别为保护继电器和电流互感器。断路器可以对变压器以及一次侧的电缆起到保护作用。一旦供电网络中出现短路等故障问题时，通过断路器可以将变压器进行隔离，防止过大的电压或者电流对变压器、变频器等设备造成冲击和损坏。结合实际情况，选用的断路器型号为VD4-12/630A。断路器的额定电压、额定频率、额定电流分别为12 kV、50～60 Hz、630 A。分闸时间和合闸时间分别为40～60 ms和60～80 ms，燃弧时间和开断时间分别为10～15 ms和50～75 ms。

3.4 控制器及拓展模块选型

PLC控制器是变频控制系统的核心，所有的数据信息都需要在PLC控制器中进行分析处理，并下达控制指令。此外，所有数据信息还需要通过PLC控制器传输到上位机中进行存储并显示。因此PLC控制器的性能好坏对控制系统的优劣有决定性的影响。结合实际情况，选用S7-200型PLC控制器，该型号控制器在很多工业领域得到了广泛应用，运行效果良好[8]。CPU模块又是PLC控制器中的核心部件，选用315-2DP型CPU。

变频控制系统运行时，需要对电机的输出转速、输出扭矩、胶带运行速度、电机电流值进行检测。因此，需要用到转速传感器、扭矩传感器、速度传感器以及电流检测仪器，以上传感器的型号分别为GSH1500、SQ9812、AON6516、HKHG-A。另外，传感器与PLC控制器之间通过Profibus通信网络实现数据信息的传输。

4 变频控制系统的启动以及功率平衡控制

4.1 设备启动控制策略

变频控制系统对2台电机进行控制时采用的是主从控制模式，即主要对主电机的转速进行控制，从电机根据主电机的运行情况进行调整。系统中采用的是“S”形启动模式，启动时电机的输出转速曲线整体上呈现出“S”形，如图5所示为电机按照“S”形曲线进行软启动时输出转速与随时间的变化情况。根据速度的变化情况，可以将电机的整个启动阶段其划分为3个阶段：软化阶段、加速阶段、缓冲阶段。不同阶段时间比例可以结合实际情况进行调整，通常软化阶段占据整个启动时间的10%左右[9]。

图5 电机“S”形曲线软启动示意Fig.5 Schematic diagram of soft start of motor "S" curve

带式输送机在启动阶段，电机输出转速不断增加。为了避免电机输出转速的急剧增大对胶带和设备造成冲击，需要对其输出转速进行精确控制。系统中主要利用PID控制技术电机输出转速进行控制，确保整个启动阶段按照“S”形曲线增加转速。带式输送机电机在启动阶段速度的PID控制原理如图6所示。

图6 电机启动速度的PID控制原理Fig.6 Principle block diagram of PID control of motor starting speed

P、I、D分别代表比例环节、积分环节、微分环节，分别用于纠正偏差、消除系统稳态误差、降低系统超调量，这3个环节的综合作用，能显著提升系统的控制精度，确保电机转速严格按照设定的程序执行[10]。

图6中，r(t)、f(t)、e(t)、u(t)分别表示系统的给定速度值、电机实际输出速度值、理想速度与实际速度的差值、控制系统输出的速度调节量。基于以上原理，系统运行中需要对电机的实际输出转速进行监测，并与给定的速度值进行对比。如果两者之间存在差值，则控制系统会输出一个调节量，直到电机实际输出速度与给定速度相等为止。

4.2 电机功率平衡控制策略

采用主从控制模式确保2台电机之间的功率平衡，变频控制系统只对主电机进行控制，从电机的输出转速根据主电机的输出转速进行调整即可。首先需要在变频控制系统中输入主电机运行速度给定值，同时利用传感器对主电机的实际运行速度进行检测，将检测结果传输到PLC控制器中。PLC控制器和变频器根据给定速度与实际速度之间的差值，对主电机输出转速进行调整控制，通过闭环控制将主电机实际输出转速与给定转速之间的差值控制在较小范围内。主电机运转时会产生扭矩，通过传感器对扭矩大小进行检测，将检测结果传输到PLC控制器中，将该结果作为从电机运转时的给定扭矩，以该扭矩值为标准对从电机的输出扭矩进行调节控制。通过这种方式可以确保2台电机的输出扭矩保持平衡，进而实现功率的平衡。基于上述原理，2台电机在运行时，如果从电机输出扭矩大于主电机扭矩，那么从电机就会对主电机产生拖动的效果，使主电机扭矩进一步减小。控制系统以较小的扭矩作为标准值，对从电机输出扭矩进行控制，可以降低从电机的输出扭矩，直到两个电机的扭矩保持平衡。

5 变频控制系统的应用效果分析

将以上设计的变频控制系统应用到矿用带式输送机工程实践中，为了验证系统运行的效果，对其进行了连续3个月的调试。在整个调试期间，系统运行稳定，基本达到了预期的效果。其应用效果可以从以下2个方面进行分析。

5.1 实现了设备的软启动

在没有使用变频控制系统前，带式输送机的启动过程属于硬启动。一旦设备电源接通后，胶带的运行速度将会从0快速提升到运行速度。该过程由于加速度很大，会对胶带以及机械结构造成很大冲击，加大设备运行的故障率。本控制系统中将带式输送机的启动模式设置为“S”形曲线。测试期间，将带式输送机正常运行时电机的输出转速设置为960 r/min，启动时间设置为0.5 s，对电机的实际启动转速变化进行监测，结果如图7所示。可以看出，电机的实际输出转速整体上呈现出“S”形状，有效缓解了启动过程对胶带和设备造成的冲击问题。测试期间带式输送机的故障率有了一定程度的降低，延长了设备的实际运行时间，为煤矿生产率的提升奠定了良好的基础。同时为煤矿企业节省了一定的设备维护和保养成本。

图7 软启动时电机实际转速监测结果Fig.7 Monitoring result of actual motor speed during soft start

5.2 电机功率平衡效果分析

由于带式输送机同时由两台电机驱动，因此必须确保2台电机之间的功率平衡，这样才可以确保带式输送机运行的稳定性以及电机的使用寿命。电机运行时的输出转矩以及电流大小可以很好地反映电机的功率。为了对电机功率平衡效果进行分析，分别对启动阶段以及全天正常运行阶段的电机转矩和电流进行了监测。带式输送机启动时2台电机输出转矩的变化规律如图8所示。

图8 设备启动时2台电机输出转矩的变化规律Fig.8 Variation law of output torque of two motors when equipment is started

可以看出，主电机和从电机的输出转矩曲线基本保持重合，误差很小，说明在设备启动阶段2台电机的功率能够保持平衡状态。

带式输送机连续运行20 h期间，2台电机电流的变化规律如图9所示。可以看出，不同时间段电机的输出电流存在很大差异，出现这种情况的原因在于不同时间段输送的煤矿物体质量不同。但在同一时刻，2台电机的电流基本保持一致，相同时刻电流差值控制在了6 A以内，2台电机的功率平衡率超过了95%。

图9 设备运行时2台电机的电流变化规律Fig.9 Current change law of two motors when equipment is running

6 结论

以DTL120/200/2×315型带式输送机为研究对象，设计研究了变频控制系统，并将其应用到工程实践中，所得结论主要包含以下几点。

(1)设计的变频控制系统以S7-200型PLC控制器为核心，通过传感器检测电机运行过程中的转速、电流等参数。利用控制器对检测参数与设定值进行对比，实现带式输送机的变频控制。

(2)将带式输送机的启动方式设置为“S”形曲线，基于PID控制技术对启动过程进行精确控制，有效规避了启动过程对胶带和设备造成的冲击。基于主—从控制模式对2台电机的功率平衡进行控制。

(3)将设计的变频控制系统应用到矿用带式输送机实践中，经现场测试发现取得了很好的应用效果。设备的启动方式得到很好改善，2台电机之间的功率平衡程度可以超过95%以上，效果显著。

参考文献(References)：

[1] 杨海彬，刘玉伟，石志亮，等.矿井末期近井筒开采技术研究与实践[J].能源与环保，2020，42(5)：165-168.

Yang Haibin，Liu Yuwei，Shi Zhiliang，et al.Research and practice of near mine shaft mining technology in end of mine[J].China Energy and Environmental Protection，2020，42(5)：165-168.

[2] 刘颖，朱栋栋，张豪.带式输送机智能控制系统研究与应用[J].能源与环保，2021，43(2)：123-126，140.

Liu Ying，Zhu Dongdong，Zhang Hao.Research and application of intelligent control system for belt conveyor[J].China Energy and Environmental Protection，2021，43(2)：123-126，140.

[3] 刘欢.基于PLC的带式输送机节能控制系统研究[J].能源与环保，2019，41(3)：154-156.

Liu Huan.Research on energy saving control system of belt conveyor based on PLC[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(3)：154-156.

[4] 郭佳佳.矿井带式输送机节能优化[J].能源与节能，2020(2)：56-57，70.

Guo Jiajia.Energy-saving optimization of mine belt conveyor[J].Energy and Conservation，2020(2)：56-57，70.

[5] 刘沛有.关于矿井带式输送机驱动技术及系统的分析[J].建筑工程技术与设计，2018(17)：781.

Liu Peiyou.Analysis on driving technology and system of mine belt conveyor[J].Architectural Engineering Technology and Design，2018(17)：781.

[6] 宋相强.原煤运输系统优化改造及视频处理变频控制技术应用[J].能源与环保，2019，41(11)：107-111.

Song Xiangqiang.Optimization transformation of raw coal transportation system and application of frequency conversion control technology in video processing[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(11)：107-111.

[7] 南卫国.煤矿通风机变频调速控制系统设计研究[J].能源与环保，2019，41(5)：121-123，127.

Nan Weiguo.Design and research of frequency control system for ventilator in coal mine[J].China Energy and Environmental Protection，2019，41(5)：121-123，127.

[8] 王曼.煤矿胶带运输系统中PLC技术的应用[J].科技创新与应用，2017(15)：119-120.

Wang Man.Application of PLC technology in coal mine belt conveyor system[J].Technological Innovation and Application，2017(15)：119-120.

[9] 朱军科.带式输送机变频控制系统设计[J].自动化应用，2019(12)：112-113.

Zhu Junke.Design of frequency conversion control system for belt conveyor[J].Automation Application，2019(12)：112-113.

[10] 曹江卫，魏霞.基于RBF-PID控制器的带式输送机自适应调速系统[J].煤矿机械，2020，41(5)：203-205.

Cao Jiangwei，Wei Xia.Adaptive speed regulation system of belt conveyor based on RBF-PID controller[J].Coal Mine Machinery，2020，41(5)：203-205.