邹龙峰
山东新巨龙能源有限责任公司 274918
摘要：随着煤炭开采行业“高产高效”发展要求，大运量长距离带式输送机在煤矿的应用成为趋势，本文分析了带式输送机功耗的影响因素，介绍了变频调速原理及控制算法，设计变频调速控制系统，使带式输送机根据不同运量自动调节带速，达到高效节能的运行目的。
关键词：带式输送机；功耗；变频；调速
1引言
式输送机已成为大型矿井原煤生产的重要运输工具，随着变频
器技术的日益成熟，带式输送机变频驱动方式逐步得到推广应用，但是带式输送机运输中仍然存在“大马拉小车”耗能现象。如何使带式输送机低功耗高效率运行，充分发挥变频调速控制系统的优势成为本文研究重点。
2带式输送机功耗的影响因素
制约带式输送机输出功率的因素是运输量Q 和带速 v 。当运输量Q 为恒定值时，带式输送机输出功率 P 与带速 v 成正比，带速增加则功耗随之增加，所以降低带速可有效减少输出功耗。但是带速要受到运量、带宽的相互制约，因为带速降低则物料线密度增大，那么传输带需要的张力也要增加。为了保证系统可靠运行，输送带的张力必须满足运行要求，实际生产中在带强和带宽能够支持系统稳定运行的状态下，通常是按最大运输量选择机型。当运输量较小时，带宽和带强有足够富裕量，此时为了降低输出功耗，通过调节带速使之匹配合理的运量，达到高效节能运行目的。
在带强和带宽确定后最大物料线密度 q m 就保持不变，带速随着
运量一起变化，若系统无运量则带速为 0。但在实际应用中避免带式输送机频繁启停，对系统设定一个最小运量值和最小带速值，若运量低于设定值则以设定最小带速运行。带速 v 与运量Q 的函数关系式：
? Q
? v ? (Q ? Q mi n )
3 .6 q m
?
?? v ? v mi n (Q ? Q mi n )
式中：Q —运量（t）；v —带速（m/s）；q m —输送带最大物料线密度。
3变频调速原理及控制算法
3.1 变频调速原理
电动机同步转速，即旋转磁场的转速表达公式：
n ? 6 0 f ( 1 - s )
p
式中：n—电动机同步转速（r/min）；f—电动机定子电源频率（Hz）；s—电动机转差率；p—电动机磁极对数。
由上式可知，电动机同步转速 n 与电源频率 f 成正比，与电动机定子绕组磁极对数成反比。电动机定子绕组磁极对数是固有属性不可改变，电源频率是可变的，只要改变电源频率 f 即可改变电动机同步转速 n，从而实现电动机调速。
为了减小异步电动机工频直接启动产生的冲击电流，对于异步电动机调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。磁通太强，电动机处于过励磁状态，励磁电流太大，电动机容易过热造成绝缘性能降低，甚至烧坏电动机，同时负载能力下降；磁通太弱，同样的转子电流下电磁转矩减小，负载能力下降。实际应用中既改变频率也改变电压，变频器输出的可变电压和频率施加到电动机上，可以有效减小冲击电流，降低对电网的污染。
从电动机基频向下调速时，为保证主磁通不变，在降低电源频率的同时也降低电源电压，近似于恒磁通变频调速，属于恒转矩调速；从基频向上调速时，受制于额定电压不能改变，提高电源频率的同时无法提高电源电压，主磁通必然会随着频率的增大而减小，类似于直流电动机弱磁调速，近似于恒功率调速。
3.2 变频调速控制算法
（1）U/f 比恒定控制
U/f 比恒定控制是异步电动机变频调速最成熟的控制方式，在控制电源频率同时控制变频器的输出电压，使两者之比为恒定值，电动机主磁通就基本保持恒定，属于转速开环控制，不需要速度传感器，控制电路简单、通用性强。U/f 比恒定控制方式的主要缺点是低速性能较差，是因为低速时异步电动机定子电压降占比增大，定子电压和电动机感应电动势已经不能近似相等，无法再保持电动机磁通恒定，电动机磁通减小，势必会造成电磁转矩减小。
（2）转差频率控制
在无辅助措施情况下，U/f 比恒定控制方式如果负载变化，频率保持不变，转子转速随负载转矩变化而变化，转速的变化量与转差率成正比。因此，U/f 比恒定控制的静态调速精度较差。采用速度传感器检测，求出转差频率Δf，再与速度对应的频率设定值相叠加，叠加值作为逆变器的频率设定值，即可实现转差补偿，提高了调速的精度。这种转差补偿的闭环控制方式就是转差频率控制。
（3）矢量控制
矢量控制是一种高性能异步电动机的控制方式，它基于电动机的动态数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，使交流电动机也具有和直流电动机相类似的变频调速动态控制性能。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理，将异步电动机定子电流矢量分解为相位互差 90°产生转矩的转矩电流分量和产生磁场的励磁电流分量分别进行控制，同时控制两分量的幅值和相位，即控制定子电流矢量，将异步电动机的控制等效为直流电机来控制，从而改善了异步电动机的动态控制性能。
（4）直接转矩（DTC）控制
直接转矩（DTC）控制是通过检测电动机定子的电流和电压，利用空间矢量、定子磁场定向分析法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算和控制异步电动机的转矩和磁链，根据与给定值比较差值，实现转矩和磁链的直接控制，将转矩波动限制在一定的容差范围内。而且采用在转速环内设置转矩内环的方法，以抑制磁链变化对转子系统的影响，省掉了矢量控制的坐标变换与计算，简化了控制器的结构，系统的转矩响应迅速且无超调，是一种高静动态性能的交流调速控制方式。
4带式输送机变频调速控制系统
4.1 变频器组成结构
变频器主要结构由输入滤波单元、整流单元、直流滤波单元、制
动单元、逆变单元、输出滤波单元等部分组成。输入和输出滤波单元用来抑制变频器对周围设备的射频干扰；整流单元是将频率和电压可变的交流电能转换为直流电能的换流装置；直流滤波单元也称储能单元，由电容或电感组成，用于负载和整流器之间的无功功率缓冲，抑制直流侧电压或电流的脉动；制动单元是当变频器驱动负载需要克服
惯性减速停车或位能性负载持续下降时，起到耗能制动作用；逆变单元是将直流电能转换为频率和电压可变的交流电能的换流装置。
4.2 变频调速控制系统组成
针对煤矿带式输送机变频调速控制系统设计，主要包含检测模块、控制模块和执行模块三部分：检测模块包含带速传感器和皮带秤，主要功能是将皮带秤采集的煤量模拟信号和带速传感器采集的带速模拟信号均转换成电流信号送入 PLC 控制模块；控制模块包含 PLC 可编程控制器和人机界面，主要功能是 PLC 控制模块将接收的检测信号经过分析判断、计算决策，输出控制指令至执行模块；执行模块包含变频调速装置和带式输送机，主要功能是变频调速装置根据 PLC 控制模块输出的控制信号，按照预先设定的控制策略输出频率和电压可变的交流电源施加到电动机。
该控制系统实现的主要功能：现场可直接设定带式输送机运行频率并保持恒定转速运行；现场可根据运煤量进行变频调速控制，不需人工手动调节；可通过网络传输数据至上位机，远程控制设备运行状态，实现变频调速节能控制。
5结束语
通过本文介绍的变频调速控制系统对带式输送机进行动态控制，克服了“大马拉小车”高功耗运行缺点，实现了自动检测运煤量和带速，自动反馈调节带速的控制目标，有效节省了企业电力成本。
参考文献：
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[2]何仲波.带式输送机调速节能控制研究[J].神华科技，2013
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