变频智能调速在煤矿井下带式输送机应用

摘  要：济宁市范围内的煤矿及相关单位开展变频智能调速技术用于煤矿井下带式输送机的研究，针对运行中出现的问题提出技术措施，有效保障变频智能调速技术在煤矿井下带式输送机的安全运行。

关键词：煤矿；带式输送机；变频智能调速技术

中图分类号：TD63              文献标识码：B

1  引言

随着国内这几年散状物料搬运技术的迅速发展，用户对带式输送机驱动装置的配置要求越来越高，传统驱动方式的局限性越来越明显，而变频智能调速技术是近年来发展较快的一门学科。近几年来，山东省济宁市范围内的一些煤矿及相关单位开展了变频智能调速技术用于煤矿井下带式输送机的研究，同时针对运行中出现的问题从多个方面提出技术措施并进行实施，有效地保障了变频智能调速技术在煤矿井下带式输送机的安全运行。

2  带式输送机变频智能调速技术的推广应用

济宁市东方圣地人力资源开发有限公司对带式输送机变频智能调速原理和优势进行研究总结，认为变频智能调速技术在带式输送机应用上将是一个很重要的发展方向。

⑴变频智能调速技术工作原理

目前变频器已成功广泛应用于各种工业场合。变频器控制方式一般有V/F和矢量控制两种方式。V/F是指变频器运转时保持变频器输出电压和输出频率之比为恒值，它是变频器最常用也是最简单的控制方式。矢量控制即通过坐标变换先将电动机的三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换，实现定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，达到对交流电动机磁通和电流分别控制的目的，将三相异步电动机等效为直流电动机控制，获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制具有良好的速度追踪性能、速度控制可低至零速、负载变化对调速精度影响小、转矩控制可低至停转转矩的特点。

⑵采用变频智能调速的优势

①自身稳压功能。变频器可控带式输送机起动过程的起动电流大为减小，电动机所承受的电流冲击极大降低，也避免对电网的电流冲击，无需考虑过大的电网余量。实际用电过程中，电网在不同时段的电压波动较大，利用变频器的自动稳压功能也有部分节能作用。

②适应不同工况。变频器驱动对带式输送机不同驱动方式的负荷分配（功率平衡)、减速回馈、制动配合控制、集中控制及监控等都有合理的解决方案，可以适应不同的工况。

③提高传动效率。带式输送机的变频器起动过程和电动机直接起动有很大区别。电动机直接起动时电流冲击达4～7倍电动机额定电流，但输出力矩并不大。采用变频器时可以控制电动机起动电流，而且电动机输出力矩可以达到电动机额定力矩1.5倍以上。

④减少对机械设备冲击。变频器内置的速度给定积分器可以自由设定加减速度时间，配合S曲线控制起动过程的加速度，避免产生对带式输送机机械设备的冲击，延长电动机寿命。

⑤大幅度减少系统维护量。变频器功能完善，具有完备的保护功能和故障诊断能力，极大减少电动机、减速箱及带式输送机的故障，降低运营成本。

⑥多方面节约能源。通常情况下，电动机在设计过程中都留有一定程度的裕量，普通电动机只有接近满载时才效率最高、功率因数最佳。带式输送机的电动机经常工作于满电压、满速度而负载很小，有相当部分时间只是空载或轻载运行，降低电动机效率，造成不必要的电能损失。采用变频智能调速技术后，电动机与减速器之间是直接硬联接，不再设液力偶合器，系统的传递效率比液力偶合器的驱动效率高3%～5%，变频智能调速的功率因数在带式输送机整个运行过程中均为0.90以上。

⑦经济性分析。采用变频智能调速技术无需太多的机械设备，设备配置结构简单，安装和维修方便，减少其它设备的投资。采用变频驱动后，整体降低带式输送机的装机功率及带强，提高驱动效率，减少电能消耗，延长电动机和机械设备的使用寿命，降低维护费用；同时，系统操作集中，自动化程度高，减少维护检修人员，具有很高的经济效益和社会效益。

3  带式输送机变频调速负载智能跟踪控制研究

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿开展带式输送机变频调速负载智能跟踪控制技术的研究，通过实时检测胶带负载情况，实现动态调整带式输送机的变频器功率输出，调节胶带运行速度，达到高精度胶带自动跟踪变速，解决胶带输送系统经常在空载及少载情况下仍全速运行的电能浪费问题，实现带式输送机的节能运行。

⑴问题产生

杨村煤矿井下共有26部主煤流带式输送机。由于技术问题，原有的胶带运输系统自动化程度低、人工操作劳动强度大，长期以来给矿井的生产和管理带来难度。2006年对胶带运输系统进行自动化改造时仅对胶带的集中控制作了相应处理，但对胶带的调速节能未做考虑。原有带式输送机变频智能调速启动，达到给定频率后工频运行，无论煤量多少胶带始终运行在恒定速度下，即使胶带处于空载下电动机也全速运行，机械磨损和老化问题日趋严重，性能逐年下降、故障率增加、设备维修难度大、系统效率低、调速范围有限、稳定性差。
   

⑵技术改造

杨村煤矿井下东翼胶带运输系统东翼二采区带式输送机采用2台电动机驱动。整个系统由变频器拖动2台125kW异步电动机并联运行。带式输送机负载智能跟踪控制研究的目的是根据东翼三采区带式输送机运输煤量来调节东翼二采区带式输送机带速，实现东翼二采区带式输送机节能运行。

①关键设备选型。a.变频电动机。带式输送机通过变频智能调速，原东翼二采区带式输送机2台驱动电动机选用普通防爆电动机，更换为防爆变频电动机。隔爆型变频调速电动机已广泛在煤矿使用，其调速性能、使用寿命比普通防爆电动机要好，但需单独配置冷却风扇。b.皮带秤。电子皮带秤在煤矿已广泛应用，根据带式输送机的运载量、速度、安装倾斜度、长度及要求的准确度进行选型至关重要，只有称量准确才能使控制更精确。

②设备布置。在东翼三采区带式输送机尾处安装1台电子皮带秤，在东翼二采区带式输送机头安装1台负载智能跟踪控制器，采集东三皮带秤载重及电动机电流，构成以胶带载重为主、电流检测为辅的负载智能跟踪控制系统，根据东三带式输送机实际煤量的变化和电动机电流的大小，动态调整东翼二采区带式输送机变频器功率输出、调节带式输送机转速，实现带式输送机自动跟踪变速、分段节能运行。

③实验研究。带式输送机的动力学分析复杂，为确认负载调速能否真的实现带式输送机节能，他们做了大量实验，运用先进的建模理论建立带式输送机模型，明确胶带速度、煤流量及消耗电能之间的关系。

④算法设计。带式输送机控制系统是复杂的非线性系统。实际输煤过程中，煤流量是不均匀的，且其检测的是前一条胶带的煤流量，存在一定的时间滞后。他们结合实验研究所得模型，运用先进的智能控制算法实现带式输送机的节能控制，即模糊控制实现负载的智能跟踪控制。模糊控制是在控制中应用模糊集合理论、模糊语言、模糊逻辑的知识模拟思维方法，用计算机实现与人相同的控制。基本方法是将操作者的经验总结成若干条模糊控制规则，经过模糊处理存储在计算机中，仿照人脑的推理过程确定推理规则。计算机根据推理规则确定推理法则，并根据信息按照控制规则和推理法则做出相应的模糊决策，完成控制动作。

⑤与原胶带自动控制系统集成。东二带式输送机保护装置采用 TK200控制系统，变频器采用ZJT200/660控制器，已经实现带式输送机低速起车、变频器达到一定频率后进入工频运行及沿线保护动作时停车等功能。为了实现东翼运输系统的安全节能运行，他们将东翼二采区带式输送机的负载智能跟踪调速系统与原有胶带保护控制系统进行整合；增加负荷智能控制器，实现与 TK200控制系统和变频器的通讯，做到沿线保护检测与控制变频器调速运行和调节电动机功率平衡，达到东翼二采区带式输送机安全节能运行的目的。

⑶关键技术及创新点

①关键技术。增加可靠性，载荷测量结合皮带秤及电动机电流实现容错冗余测量；通过实验获得胶带速度、煤流量及消耗电能的可靠数据，运用神经网络技术和模糊数学等现代数学方法建立非线性的节能优化调速模型；考虑煤流量的不均匀及模糊性，实现模糊智能控制算法；设置能量消耗率为目标函数，实现优化控制策略。

②创新点。对胶带输送系统首次应用神经网络技术和模糊数学等现代数学方法建立非线性的节能优化调速模型；对胶带输送系统运用先进的模糊智能控制方法，实现自适应负载变化的调速控制，节约人力，延长设备使用寿命；以能量消耗率作为目标函数，使能量消耗率最小化，实现过程的优化控制，达到节能目的。

⑷体会

杨村煤矿针对胶带输送系统空载及少载情况仍全速运行的情况，运用神经网络技术建立带式输送机负载、能耗和运行速度之间的非线性模型，在此模型的基础上运用模糊智能控制方法，通过优化模糊规则，实现带式输送机自适应负载变化的调速控制，同比节约电能20%，节能效果显著；同时，延长胶带系统的使用寿命，降低维修量，在胶带输送系统的节能自动化技术与应用方面起到领先示范作用，可推广至自适应负载变化的调速系统中。

4  PLC程序智能控制系统和变频器在带式输送机的应用

为了解决长距离带式输送机控制系统多电动机驱动过程中的功率不平衡和大功率带式输送机软启动、软停车的问题，兖州矿业（集团）有限责任公司在东滩煤矿带式输送机电控系统应用变频器及PLC程序智能控制系统，有效延长带式输送机胶带及机械系统的使用寿命。

⑴原有带式输送机电控系统

东滩煤矿井下东翼带式输送机设计带速3.15m/s，带宽1200mm，运输能力1600t/h，水平巷道运输，设计运输长度3400m。根据东滩煤矿生产接续需要，实际安装长度2100m，驱动布置方式为机头三驱动滚筒（配置4个驱动单元）、机尾单驱动滚筒（配置1个驱动单元）。驱动单元配置型式为“电动机+限矩型液力偶合器+减速器+驱动滚筒”。电动机型号YB355M2-4，电压660/1140V，配置6台电动机，功率250kW。此带式输送机电控部分采用三菱PLC控制程序，安装在原法国K5S控制柜内，电动机主开关采用贝克公司KE1004开关。控制系统无法解决多机驱动过程中功率平衡及长距离带式输送机平缓启动的问题。

⑵变频器及智能控制系统应用设计

①变频器的启动控制曲线设计。胶带本身是弹性体，在胶带负载运行时又具备极大的惯性，带式输送机起动加速度与停车减速度越大则胶带储存的能量越大，释放这些能量对带式输送机机械系统产生极大的冲击。防爆变频器的起动、停止时间是任意可调的，即起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，为了平稳起动还可匹配与其具备的S型加减速时间，将带式输送机起停时产生的冲击减至最小。带式输送机启动前输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧启动可进一步改善启动峰值张力作用，这样需要在启动开始阶段加入一段时间延迟段。延迟段的速度一般根据设计经验，取带速10%，通常情况下中长距离带式输送机的启动最大加速度不大于0.1m/s2。最终，实现优越的软启动、软停止特性理想的软启动速度曲线，带式输送机平稳启动，整个启动过程中加速度最大值较小，没有突变，最大限度减小启动惯性力和启动冲击力。

②实现起动时功率平衡。东滩煤矿东翼带式输送机系统为多滚筒驱动，要求位于机头的各滚筒同步启停，6台电动机同时运行。前2台电动机处于同轴，同轴的1#电动机为主机、2#电动机为转矩跟踪；不同轴的3#、4#、5#电动机为速度跟踪。他们设定将1#变频器的速度输出作为3#、4#、5#变频器的速度输入。由于6#电动机相距离带式输送机机头较远，胶带弹性变形较大，设定时对主机以速度跟踪为主、转矩跟踪为辅。设计起动时由主机发出信号，从机作回应后通电1#～5#机先行启动，6#机滞后T时间待上部紧边胶带拉紧即将完毕时启动，实现6台电动机功率平衡。

③重载起动及验带功能。带式输送机在输煤过程中任意时刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑重载起动能力，低频运转时刻输出1.5～2倍额定转矩。低速验带功能是带式输送机检修主要要求。变频调速系统为无级调速的交流传动系统，空载验带状态下变频器可调整电动机工作与5%～100%额定带速范围内的任意带速长期工作。

④分布式智能控制系统及网络通讯功能。智能控制系统采用分布式控制系统结构。由PLC可编程控制箱和本安操作台构成。系统采用德国SIEMENS公司S7-300系列PLC作为主控元件。每台变频器内部装有1台S7-200系列PLC作为从站，主站S7-300与从站S7-200通过PROFIBU进行通讯，实时对各变频器进行控制，以保证系统的动态可靠性。这个系统配置工频应急系统，在变频器出现故障时，可由工频直接起动，并对电动机提供相应保护。

⑶变频器及智能控制系统应用结果

变频器从启动至带式输送机全速运转时间90s，带式输送机空载时1#、2#、3#、4#、5#电动机的电流分别为38A、53A、35A、39A、52A；带式输送机满载时1#、2#、3#、4#、5#电动机的电流分别为47A、75A、43A、53A、90A。可以看出，带式输送机空载及满载都运转平稳，避免对机械系统的冲击。带式输送机采用西门子PLC程序智能控制系统后系统性能可靠，具备各驱动电动机的功率平衡功能，系统故障率大大降低，智能控制系统操作维护方便。软启动系统采用变频器及控制系统采用PLC控制在井下带式输送机上应用较为成功。

5  无齿轮永磁同步变频智能调速技术在带式输送机的应用

传统的DSJ80型带式输送机驱动系统采用异步电动机、液力偶合器、减速器将动力传给滚筒，驱动系统效率低、启动不平稳、重载启动困难，减速器、偶合器等部件维护、更换频繁。兖州矿业（集团）公司机械制修厂将带式输送机驱动系统改造为无齿轮永磁同步变频直驱系统，即驱动系统由永磁同步电动机与变频器智能调速技术相结合实现动力的传递。由于去掉减速器、液力偶合器，整个驱动系统高效节能、低噪音、免维护、输出转矩大、启动平稳、恒转矩控制。

⑴带式输送机两种驱动系统比较

①传统的驱动系统。由输送机机头架、减速器、液力偶合器和异步电动机组成。异步电动机式输送将电能转化为机械能，通过减速器和液力偶合器驱动带式输送机；液力偶合器具有减缓冲击、隔离扭振的功能，可延长电动机启动时间，降低启动电流；减速器降低转速，增加驱动力矩。

②无齿轮永磁同步变频智能调速直驱系统的驱动系统结构。电动机连接法兰承载永磁直驱电动机与输送机机头架之间的连接作用，保证电动机轴伸端与输送机滚筒轴的同心度；永磁直驱电动机将电能转变为机械能，在变频器的配合下直接输出与带式输送机带速相吻合的转速，无需减速器和液力偶合器而直接驱动带式输送机，不但效率提高，而且实现免维护。

⑵无齿轮永磁同步变频智能调速直驱系统驱动系统特点

①采用传统驱动系统时，启动电流为电动机额定电流4～7倍，大的瞬间起动电流在启动过程中产生冲击，引起电动机内机械应力和热应力发生变化，对机械部分造成严重磨损甚至损坏；同时还将引起电网电压下降，影响电网内其它设备的正常运行。采用无齿轮永磁同步变频智能驱动，利用变频器的智能调速功能可实现0Hz开始缓慢启动，启动过程平滑稳定，对机械部件基本无冲击，避免异步电动机启动时对输送带的过度拉伸，同时可实现重载启动。

②传统驱动系统运行时，由于液力偶合器、减速器、齿轮长时间工作，液力偶合器经常出现轴承损坏、工作液体渗漏、叶片被打坏等故障，减速器经常出现轴承损坏、油封漏油、齿轮磨损等故障，增大维修量，影响运输效率；无齿轮永磁变频智能驱动系统减去这些中间环节，取消传统系统的减速器和液力偶合器，简化系统安装调试，振动和噪声大为降低。

③传统的驱动系统，电压降系数92%，多电动机驱动功率不平衡系数93%，液力偶合器效率96%，减速器效率94%，异步电动机效率92%,整个系统效率71%。无齿轮永磁同步变频智能直驱系统正常工作时，机械效率100%，电压降系数1，多电动机驱动功率不平衡系数1，永磁直驱电动机效率93%，整个系统效率93%。整体系统效率高,具有很好的节能效果。

④永磁电动机具有32极的高极数，最大转矩可达额定转矩2.8倍，无须减速器即可直接驱动传动滚筒。采用此系统后，系统宽度与传统的传动系统宽度相同，总长度约减少l500mm，整体系统质量减轻约1.2t，而且电动机采用法兰式直接连接，保证电动机与带式输送机机架的同心度，延长电动机的使用寿命，给井下安装带来方便。

⑤无齿轮永磁同步变频智能直驱系统内置多机软件功率平衡和智能切换功能，机械结构简单，通过软件实现功率平衡对电动机的保护比原先可靠很多。功率较小时，可单机运行或多机冗余切换运行，保证系统多机备用，根据输送带上物料的多少实现闭环速度控制。物料较少时可降低带速，避免“大马拉小车”现象的发生，对设备保养、节能降耗的效果非常可观。

⑥减少直接成本。1台DSJ80型带式输送机需要减速器及液力偶合器各2台，节省购买费用26000元；变频启动减小对输送带的冲击，输送带材料由原先PVC800S降为PVC680S，带长1700m节省34000元。

综上所述，无齿轮永磁同步变频智能直驱系统的优点十分明显，在DSJ80型带式输送机应用后，运行平稳、噪声低、安全可靠，节能效果显著。

6  变频智能调速在煤矿井下可伸缩带式输送机的应用

在煤矿运输环节中，运输顺槽采用可伸缩带式输送机作为综采工作面煤炭运输的最后一个环节，是保证煤矿高产高效、安全运输的重要设备之一。但是生产现场工作面会经常出现重载无法启动、上运过程中倒转、下运过程中飞车、储带过短及倦怠缓慢造成效率低下、运输距离过长或者上运大倾角驱动力不够等问题，严重制约生产。可伸缩带式输送机的性能、可靠性、经济性和使用寿命的关键之处就是采取何种软启动方式。兖州矿业（集团）公司综机设备租赁站在深入调查各类事故的基础上，认为出现重载无法启动、断胶带等事故的主要原因是启动性能的好坏。同时，他们还结合生产实际，对变频智能调速技术在煤矿运输顺槽可伸缩带式输送机中的应用进行了总结分析。

⑴煤矿井下可伸缩带式输送机的通用软启动方式

①液力耦合器。可以改善机器的启动性能并具有过载保护，提高电动机和驱动机构的寿命、平衡各电动机的功率输出并且价格便宜、运行可靠、使用维护方便，但其有滑差、效率低、 漏油也时有发生，并且它无法实现真正意义上的曲线启动。可满足一般运输倾角平滑、运量一般、距离合理、调速精度和运行要求不高的普通综采工作面的运输需求。

②差动式轮系液粘调速装置。软启动特性比较完美，但它是进口产品，价格偏高，而且无法在低速段长期运行，无法提供可调验带速度，对于长距离运输非常不利。加上我国目前煤矿的管理水平、技术力量、工人素质及资金力量等方面都存在一定的困难，一般不予考虑采用此方案。

③变频智能调速装置。随着科学技术的进步，以变频智能调速技术为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频智能调速技术以其高效的调速性能、显著的节电效果被认为是一种最有前景的交流调速方式。矿用隔爆型兼本质安全型变频器是专为煤矿生产的设备控制装置，适用于三相交流电动机的调速控制，具有启动转矩大、启停平稳等特点，能实现交流电机在各种负荷情况下的平滑启动、调速、停车等功能，彻底消除机械及电气冲击，延长设备使用寿命，尤其对胶带的保护效果特别好，极大延长胶带的使用寿命，节约大量资金。

⑵煤矿井下可伸缩带式输送机变频智能调速的特点

①高功率因数。变频智能调速装置可以在很宽的转速范围内保证高功率因数运行（19%以上转速时功率因数大于0.96%），而液力偶合器低速运行时功率因数低于电动机额定功率因素，如果在60%以下转速时功率因数低于0.6。采用液力耦合器如需提高功率因数，则要外加功率因素补偿装置，费时费力。

②启动、停止性能平稳。胶带的平稳启动降低对胶带拐弯装置的冲击，保证胶带拐弯装置的完好；因为断胶带事故多发生在胶带启动过程中，胶带的平稳启动减弱对胶带的瞬间冲击，避免断胶带与断胶带扣事故；运料回收过程的低速运行，避免闭锁不及时带来的工作量及安全隐患，保证运料人员的安全。

③运行可靠、易于维护。液力耦合器机械机构和管路系统复杂，维护工作量大，出现故障时无法直接定速运行，必须停机检修。虽然高压变频装置电子线路比较复杂，但目前技术已趋成熟，尤其是单元串联多电平方式的高压变频装置具有单元自动切换和冗余运行特性，单元故障时可不停机连续运行，而且检修维护相当容易，只需定期更换进风滤网即可。

④调节及控制特性。液力耦合器依靠调节工作腔油量改变输出转速，响应速度可能跟不上控制需要；变频调速的频率改变速度相当快，可以采用系统允许的最高速度进行调节。液力耦合器的速度调节精度较低；变频调速属于数字式控制，稳频精度高，可以实现精确控制。

⑤经济效益。采用液力耦合器初期投资比变频调速装置少，但是变频智能调速效果及其它方面均明显优于液力耦合器。以1000kW电动机为例，应用变频调速装置比液力耦合器每年节电138万kWh，如果变频调速装置比液力耦合器需多投资60万元，则一年多即可收回；以后的运行情况是变频智能调速比液力耦合器每年节省数十万元的开支，因此总体回报效果更佳。

7  结束语

随着生产力的提高和技术的不断进步，煤矿综采工作面装备水平得到了长足发展。目前井下运输顺槽用可伸缩带式输送机正在向高速度、大运量、长距离、大倾角、大功率方向迅速发展，作为综采工作面煤矿运输环节中的重要组成部分是保证煤矿安全生产、高产高效的重要设备之一。交流电动机驱动是目前矿井运输设备采用的主要驱动形式，具有简单、可靠、适应性强等优点，但存在起动力矩小、直接起动电流大及运行不经济等缺点。随着变频智能调速技术的不断发展与成熟，变频器被广泛应用于煤矿生产的各个环节。为满足矿井生产需求，交流电动机采用变频驱动，对多点驱动系统进行技术革新，在频率范围、动态响应、工作效益、调速精度、输出特性及使用方便等方面比以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力偶合器调速等均较为优越，同时还有显著的节电效果，是企业技术改造和产品更新换代的理想设备。