内蒙古呼铁物资工业（集团）有限公司 内蒙古呼和浩特 010050
摘要：皮带运输机在运行过程中会出现传动效率低、电流冲击大、电机损坏、皮带断裂等问题。变频控制技术的应用可以提升皮带输送机的性能和安全性，降低能源消耗，延长设备使用寿命，提高工作效率，有助于提高企业的经济效益，促进企业的健康发展。本文主要对变频控制技术在皮带运输中的工作原理和应用进行分析，对变频技术实际应用中应注意的问题进行讨论，以供参考和借鉴。
关键词：变频控制技术；皮带运输机；应用
引言
1内蒙古呼铁伊东储运股份有限公司古城湾装车基地皮带输送机现状
内蒙古呼铁伊东储运股份有限公司古城湾装车基地始建于2008年，位于包头市东河区既有京包线古城湾车站南侧，当时具备了“技术创新、生态环保、土地节约、运输高效”特点，是一座现代化、全封闭、环保型万吨煤炭装车基地，具备直进直出、整列万吨重载列车快速装运的条件。作为区域性装车基地，古城湾装车基地主要吸纳鄂尔多斯东部地区薛家湾羊市塔矿区及包西铁路线以东矿区的3800—6000大卡动力煤。古城湾装车基地上煤皮带机采用液力耦合器启动，皮带输送能力5000t/h，带宽2.0m，带速4.5m/s，所装万吨大列一般为C80车型，每列105车，年发运能力达1000万吨。本文主要参考古城湾装车基地皮带输送机的应用现状，对变频控制技术在皮带运输机的应用进行探讨，为改进古城湾装车基地皮带输送机运行状况，进行变频控制技术改造时提供参考。
2变频控制技术在皮带运输机应用的基本原理分析
变频装置作业时，生产设备运行所需的工频电源首先经过整流装置，通过整流装置的处理，将不可直接调控的交流电电压及频率转换为直流电，再根据实际作业需要，对直流电的幅值及频率进行调控，调控完成后再通过逆变装置将直流电转化为皮带输送机生产设备作业所需的交流电，进而驱动生产设备开展生产作业。一般来说，为确保变频装置运行的高效、安全，还需配设一些相应的辅助装置，比如噪声消除器、空气自动开关等，用于提升电流输出的安全性和稳定性。同时，根据以往工程实践数据汇总分析发现，变频状态下各类设备的运行效率相较于工频状态下均会呈现不同程度的提升。
从原理层面来看，在煤炭运输中，滚筒与皮带间的摩擦力越大，则皮带运输时可承载的重量越大，一次性运输的煤炭量就越多，同时对设备运行造成的压力也就越大。因此，变频控制技术在皮带运输中的应用就是为设备负荷和煤炭运输提供了一个平衡点，从而实现能耗、速度及运量的最佳匹配。过去，为了提升设备运行安全性，多通过液力耦合器进行皮带软启动，但在长时间的使用中极易加速皮带老化，引发断裂。而变频控制技术的应用可以有效降低设备在启动时的电流，从而最大程度规避瞬时启动大电流对设备的损坏，在实现能耗有效降低的同时延长设备使用周期，实现安全、长期稳定。通过应用变频控制技术确保输送走廊设备运行的有效性，在降低能耗的同时最大限度地提升设备运行稳定性和延长设备使用寿命，对于提高古城湾装车基地安全性意义重大。
3变频调速技术在皮带运输机中的应用优势
3.1提高运输机运行的安全性和稳定性
通过安装变频调速系统，利用运输带上面煤炭的重量能够有效监测运输机的工作状态，从而对皮带运输机进行智能调控。变频调速系统在皮带运输系统中主要是发挥监控、检测的作用，在运输机工作时对其实际情况进行分析，将运输系统与电机部分结合，并采取“分级启动”的方法，按照一定步骤消除传送带在启动时产生的张力，确保皮带运输机在启动过程始终保持平稳，提升皮带运输机的稳定性与安全性。
3.2延长运输机械使用寿命
在传统的皮带运输系统中，由电机直接起动、全速发动设备，无法对传输速度进行调控，在运输机的启动过程中，对电机、电网及传动机械设备产生强烈冲击，造成机械设备的严重磨损，缩短运输设备的使用期限，且增加了设备维修次数，提高了运输系统的整体维护成本。此外，传统皮带运输系统的启动方式也会影响到系统中控制设备的使用情况，如空气开关、真空接触器等，致使这些设备频繁更换，增加设备的维修费用。将变频控制系统应用到皮带运输机后，皮带运输机具备了软性启动功能，预留了逐步启动的时间，有效避免了机械磨损，提高了机械使用寿命。
3.3有效降低电能耗
在煤炭运输系统中，皮带运输机的电机一般功率很大，而且均设置备用电机，
按照每个工作日需要运转12h计算，若按照传统皮带运输机的应用原理设计，在开启时直接启动机器，启动后让电机全速运转，而堆场给料机无法及时满足皮带运输机的全部运输需求，导致皮带输煤量不足，直接降低煤炭企业的经济效益，提高了煤炭生产活动的运作成本，既不利于企业盈利，又浪费电能。而将变频控制技术应用于煤炭运输系统中，调整拖动电机运转状态，提高皮带运输系统中运输量与给料机给料量之间的适应程度，利用变频器将运输系统的输出率调整为39～40Hz，可以适当降低电机转速，有效降低运输系统的运行电压与电能消耗。
3.4降低运输设备的维护成本
在皮带运输机中应用变频控制技术，主要就是通过变频器将机械使用期限转化为电子使用期限，延长了运输系统的使用寿命，减少了设备维护次数。除此之外，变频控制技术中的软启动功能能够实现输送系统的软启动，降低机械在启动过程中的冲击，有效减少了皮带运输机的年检修量，节省了很大一部分检修费用，降低运输设备的维护成本。
4皮带运输机变频控制系统的组成
4.1总体结构的组成
变频带式输送机的电控系统，分别使用了两台高性能的矢量控制型的变频器以控制两台电动机，构成主从驱动系统，并通过各类传感器采集设备系统的运行状态信息，以配合控制系统完成所有的保护功能和工艺流程控制。
4.2控制系统的组成
控制系统是由变频柜、主控台、制动柜和电源柜所组成，并安放于控制室中。主控台使用了当前性能可靠和具有先进技术水平的可编程控制器，并配合当前多种控制组件和检测组件以完成皮带输送机运行过程中的速度闭环控制、设备闭环控制、各种工作状态和安全保护的显示。运输机操作人员可通过人机界面、仪表和指示灯了解运输机的运行参数和运行状态，并操作控制台上的按钮和操作手柄以控制皮带运输机的正常运行。
4.3控制系统中的重要设备
变频器是通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器通过控制输出电源的频率的，控制并调节交流电机的工作状态，根据工作现场的实际情况来调节其所需的供电频率，从而达到调速和节省能源的目的。变频器因变换环节的不同可分为两类：①交－交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器。②交－直－交变频器，是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，目前应用最为广泛的就是这种变频器。
变频调速柜是控制系统中的重要调速设备，通过矢量、全数字控制型变频器作为当前的主控元件，并经过主编码器的数据反馈，实现了运输机的高精确度的力矩和速度控制。同时还达到了对电机调速、启动等控制的目的，和主控机等相应设备构成了高性能和全数字的变频带式输送机电控系统。电源柜主要起到保障生产连续性的作用，它具有双回路供电，并同时向主控台和变频柜进行电力反馈。电源柜还能很好的实现欠电压保护、短路保护、电流保护等功能，使设备的运行更加的安全可靠。制动柜的主要作用是吸收输送机运行过程中所产生的过电压，从而形成运输机的四象限运行，进一步保证设备系统的运行安全。
可编程逻辑控制器，简称PLC。变频控制多点驱动皮带运输机的原理就是将PLC控制技术与多点驱动皮带运输机相结合，进而解决多点驱动皮带运输机工作中控制不方便、电频不同步所带来的困扰。PLC实质是一种专用于工业控制的微型计算机，变频控制大体分为监测系统和控制系统。监测系统是通过安装在输送机各部位的传感器对输送机工作状态下的实时数据进行监测，将监测到的数据信号发送到PLC计算机处进行数据处理；控制系统就是根据PLC微机对监测数据进行处理后控制驱动部电机的输出电频达到最优选择。
4.4变频调速方案设计
鉴于皮带运输机运行时各电机之间的动力输出借由皮带耦合予以达成，因此结合其运行原理，一旦其运行中出现电机滑差现象则变频装置频率输出便会出现偏差，从而导致转矩不均衡，诱发运行故障。所以，在运行中确保电机转矩的平衡十分重要。通常在实际运行中多会采取三种驱动方案：a）一拖多并联运行。这种方案适用于电机功率较低、运行电机数量不超过3台且运行成本要求较低的变频调速装置；b）主-从控制。这种方案适宜应用在电机转矩输出均衡，运行电机数量不超过3台且各电机间隔较小的简易变频调速系统；c）统一协调控制方案。这种方案适宜应用在运行电机数超过3台且电机间隔较大的大型变频调速系统。结合实际运行环境，为确保其生产运输中的负载均衡性，其皮带运输机适宜选用主-从控制方案充当高压变频调速系统。其中一台变频装置作为主控端，用于确定输出转矩；另一台变频装置作为从控端同主控端同步运行。整个变频调速系统仅仅对电机转矩进行调控，而不对其运行速度予以调控。采用这种变频调速控制模式，皮带运输系统运行速度可以有效调控，运行过程中的能耗大幅降低，节约作业成本，整个系统运行初步达成智能化，系统运行故障率降低的同时运行维护作业量也大幅降低。
5变频调速与液力耦合器对比分析
5.1传统液力耦合装置的不足分析
5.1.1存在空载启动环节
借助液力耦合装置进行皮带机的软启动，首先需要经过空载启动环节，这是由于当皮带机启动频率为作业频率时，在启动过程中会产生瞬时的超强电流（为额定电流4倍以上），从而对整个电机的运行产生一定的瞬时冲击，进而引起电机机械应力的瞬间增大，可能造成内部组件损毁。此外，空载启动还会对电网运行造成较大的负面影响，如电压的降低会对电网相连的其他设备正常运转制造成负面影响；
5.1.2水电阻容易造成污染
当液力耦合装置在长时间运行后，其内部水电阻液体温度会持续增加，一旦超过某一特定限值，则会引起合金塞熔化，继而导致漏液现象的发生。这不仅会污染环境，同时还会增大维护作业量；
5.1.3皮带强度标准高
借助液力耦合装置进行设备软启动，需要皮带运输机能够在较短时间内实现完整的加载工作，这会导致皮带承担较大的张力。鉴于此，若需要保证皮带机运行的有效性就必须尽可能增强皮带强度，以避免皮带断裂现象的发生；
5.2变频调速与液力耦合器对比
5.2.1启动性能分析
皮带运输机启动时带有一定的负荷，在启动过程中会产生电流冲击，对皮带运输机和供电系统产生不利影响，时间久了还会造成电动机损耗、绝缘老化等问题。采用液力耦合器虽然能够降低皮带启动速度，但是并不能改善启动电流，启动电流是额定电流的4～8倍，启动瞬间会造成电动机内部热应力急剧改变，造成电动机内部机械磨损。另外，启动电流的增大会一定程度的降低供电电压，影响其他设备正常运转。采用变频调速则可有效避免这些问题，实现电动机平稳软启动，且启动过程可控，对电动机无机械冲击作用，同时还能一定程度的降低用电配备容量。
5.2.2运行状态分析
液力耦合器虽然机械结构相对简单，但其管理要求较高，长时间运行后常常会出现液体温度过高、漏液等问题，后期维护维修工作量较大，若出现问题，必须进行停车处理，影响正常生产。变频调速运行系统稳定，维修量较小，对环境要求不高。
5.2.3节能效果分析
变频调速节能效果好，其原因是变频器在电动机输出转速降低时效率依然较高，理论分析认为，当电动机额定转速时效率为0.97，75%额定转速时效率超过0.95，20%额定转速时效率不低于0.9。而液力耦合器随着电动机转速降低，其效率显著降低，如75%额定转速时效率不超过0.7，20%额定转速时效率仅为0.15左右。由此可知，变频调速相比于液力耦合器可以节约大量的能量，对于皮带输送系统节能降耗，提高装车基地综合经济效益具有显著的促进作用。
6变频调速技术运用中应注意的问题
6.1变频器的散热
精密电子设备的稳定性与温度具有密切关联，因此为保证变频器的正常工作，必须将温度控制在其最高允许温度以下，但由于输送走廊作业条件恶劣，不具有良好散热环境，因此应通过选用热管散热器降低设备温度。散热器的选型应充分考虑到流体对热管的迎面质量流速，计算以光管为表面的对流换热系数，计算热管蒸发段和冷凝段的长度及总表面积，确定热管数目及布置形式，计算流体阻力等。
6.2对带速的确定和调节
应根据不同输送机的具体工作环境及不同运量等进行皮带运输机的阻力分析，并运用模糊控制理论，设计带速一定后的最佳启动方式，提高系统的精确程度。一般情况下，可选择具有延迟时间的S型起动曲线。即设稳定带速为v0，起、制动时间为T0时，启动开始，此时加速度为0，T0／2时，加速度达到最大值，速度达V0／2；此后加速度逐渐对称降低，速度继续增加；达到设计带速时，加速度降为零，完成启动过程。输送带在启动之前，输送带处于松弛状态，为避免输送带的冲击，将输送带拉紧后启动，可进一步改善启动性能。因此，在启动开始阶段加入一个时间延迟段，延迟段的速度一般取为设计带速的lO％。
结语
带式输送机的安全运行与古城湾装车系统生产效率息息相关，带式输送机工况形式多变，启停控制不当会引起皮带机各种问题，皮带机运行时的实际功率与输送量不匹配会造成电能的浪费，增加煤炭的运输成本。变频控制技术的应用，极大地提高了皮带机的工况适应能力，实现皮带机的平稳调速及多台驱动电机的协同控制，合理控制皮带的负载，通过自身完善的保护环节和良好的控制性能，有效的避免了安全事故的发生和延长了皮带运输机的使用寿命，随着变频调速技术的不断提高和变频器的不断发展，古城湾装车基地可企业长远发展的情况出发，积极探索应用变频调速技术，将皮带输送机现有启动技术改造成变频启动技术，对提高皮带输送机智能化和自动化水平具有重要的意义。
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