PVD智能驱动与控制系统在带式输送机中的应用

王琼伟， 魏景

(宁夏银星煤业有限公司， 宁夏 灵武 750408)

0 引言

目前宁夏银星煤业运输大巷固定带式输送机与工作面可伸缩带式输送机配备的驱动系统都采用“变频器+变频异步电动机+减速器+高(低)速联轴器”方式运行，主要存在的问题包括:传动效率低、电机能耗大、传动链长、噪音大、可靠性低、设备维护工作量大、减速器液压油需要周期性的更换等。因此,要想实现带式输送机向大功率、长距离、大负载方向发展,关键是解决动力来源、智能化控制及软启动等问题。通过考察学习、技术论证、经济分析，提出采用一种新型的PVD智能驱动与控制系统,实现了带式输送机技术含量的提升，促进矿井科技进步，也为后续煤流系统自动化、智能化改造打下坚实的基础。

1 PVD智能驱动与控制系统

1.1 总体结构

PVD智能驱动与控制系统是针对带式输送机的驱动与控制提供的综合解决方案,由图1所示,它主要由永磁变频直驱电动机、变频器、控制装置等组成。外围辅助设备包含联轴器、逆止器、水冷装置、盘式制动器、逆止器、张紧装置等。该系统主要解决带式输送机或煤流输送系统的动力来源、软启动、智能化控制等问题。

图1 PVD智能驱动与控制系统

1.2 基本原理

PVD智能驱动与控制系统主要包括永磁电机和配合永磁电机使用的变频器两大部件，其驱动模式为永磁电机-负载，可取代传统的电动机-减速器-变频器负载。

2 主要特点

1) 启动平滑，实时调控。永磁变频同步电动机与传动滚筒直接连接，传动链缩短，系统运行更加平稳，振动更小、噪音更低、可靠性更高。变频技术实现带式输送机的软启停车功能，能实现系统传动的缓慢匀速起动，避免了电动机起动的瞬间大电流给电网带来的冲击，有效解决了带式输送机在启动与停止时转矩瞬时剧变给传动系统带来的机械冲击。降低了系统的电网故障和机械故障,系统可控性能好，可较好地解决长距离、大运量带式输送机多机驱动功率不平衡问题。

2) 多机控制平衡，降低能耗。效率高，无减速系统和液力偶合器，机械传动效率接近100%；电动机转子为永磁体，无需励磁，损耗小，效率高。 永磁电动机在25%～120%额定负载范围内效率高，在低负载、低速条件下，更是优势明显。传统的驱动系统的传动效率为85%左右，所用的Y系列异步电动机的能耗仅为国际IE1级(相当于国家三级能耗)。而该系统的传动效率在94%左右，采用的永磁直驱电动机能耗达到国际IE4(高于国家一级能耗标准)，综合节能率6%以上。同时,永磁同步电动机匹配直接转矩控制方式能恒定输出额定负载转矩2倍的启动转矩，而传统驱动系统使用的异步电动机在同功率条件下的启动转矩是额定负载的55%。

3) 输送机的自检模式，适应低速运转，安全运转。具有零速满转矩输出特性，可以实现重载启动； 具有低速验带功能； 矢量控制，双闭环(速度环、电流环)调节，实现多驱动功率平衡；变频控制，实现带式输送机的“S”曲线启动、停车；采用四象限变频运行方式时，能有效地解决下运制动及紧急停车问题。

4) 降低故障率。PVD智能驱动与控制系统无中间传动换机,完全取消了减速器、液力偶合器、CST等中间传动设备，从而减少了所需设备的维护工作，维护难度大幅降低；同时，由于系统各设备所需的维护间隔周期较长，很大程度上降低了维护成本。

3 PVD系统控制原理

控制逻辑流程如图2所示。

1) 系统正常启车。正常启车PVD控制箱由远程控制，由带式输送机主控系统向PVD控制箱发送启车信号，PVD控制箱首先检查整个PVD系统是否正常，若有故障则报故障停车，并显示故障点。若系统无故障，控制箱首先控制冷却装置水泵电动机起动，待水泵电动机均有运行返回，延时一定时间继续启动风扇电动机，若无运行返回则报故障停机;启动风扇电动机后，待风扇电动机均有运行返回后，延时一定时间继续启动变频器，若无运行返回则报故障停机。启动变频器后，若变频器无运行返回则报故障停车,待系统到达设定的启动时间时，对系统进行判断，是否达到预定的运行参数。若未达到预定的运行参数则报故障停机。

2) PVD系统正常停车。正常停车PVD控制箱由远程控制，由带式输送机主控系统向PVD控制箱发送停车信号，PVD控制箱首先向变频器发送停启动变频器信号，待延时一段时间后向控制风扇电动机的开关送停止信号，待延时一段时间后向控制水泵电动机的开关发送停止信号。

(a) 起车

(b) 正常停车

3) 非正常停车。故障停车和急停停车都属于非正常停车，控制箱在接到非正常停车指令后，同时对变频器、控制水泵电动机的开关、控制风扇电动机的开关发送停车信号。

4 系统的应用效果分析

4.1 降本增效，实现矿井快速生产

PVD智能驱动与控制系统与传统异步电动机驱动系统比较，前期设备投入成本稍有提高。但由于PVD智能驱动与控制系统的特性，相应地在前期建设施工等方面节约了大量资金、人力与时间成本。

永磁变频同步电动机为直驱方式，省却中间传动环节，就整个驱动系统而言，较传统异步电动机驱动系统体积小。可大大降低巷道修正及驱动硐室建设费用。该项目共计使用5台套永磁变频同步电动机驱动装置，按一个硐室安装一套驱动装置计算，本次5台驱动装置共计可省却5个硐室的建设费用。从以往硐室建设成本来看，单个硐室造价约8万元，5个硐室合计约50万元。

PVD智能驱动与控制系统仅电动机需要进行土建基础建设，相较传统异步电动机驱动装置，土建基础建设工作量降低，按每套驱动装置土建基础造价节约5万元计，5套驱动系统共计降低成本约25万元。

永磁变频同步电动机为直驱方式，驱动装置安装工作量大为降低，整套驱动装置仅电动机与传动滚筒需进行同轴度安装调整，其余设备无需精确安装,从而节约大量施工时间，提高了带式输送机的安装效率，实现设备快速投入生产应用。

4.2 节能环保，降低设备运行费用

国内煤矿生产模式决定了在带式输送机设计阶段选用的电动机功率等均有较大幅度的富裕。在选用传统异步电动机作为驱动单元时,带式输送机设计总装机功率约是实际运行轴功率的1.3～1.4倍,这就决定了异步电动机驱动系统绝大部分时间运行在额定负载的60%左右,其负载越低，异步电动机的运行效率越低。

如图3、4所示，按以往实际使用总结，异步电动机驱动装置的整体效率大约在80%左右。由于永磁变频电动机在20%～120%负载情况下，效率均为94%左右。项目5台永磁变频电动机功率总计为 3×560+2×250=2 180 kW。根据实测,节能效果约为15%～20%，按最低节能效果15%，每天总工作时间大于21 h，每年平均运行时间为330 d计，本次采用PVD智能驱动与控制系统每天可节约运行成本6 867元，年节约成本226.611万元。

4.3 减少运行维护工作量，降低运行维护成本，提升矿井生产效率

永磁变频同步电动机为直驱方式，省却了中间传动环节，就整个驱动系统而言，较传统异步电动机驱动,减少了减速器(CST)、偶合器等,从而降低了整个驱动系统运行维护的工作量。按过往使用统计，在采用“变频器+变频异步电动机+减速器”、 “异步电动机+CST”、“异步电动机+偶合器+减速器”3种驱动结构方式的情况下，设备本体维护、油液更换等都需大量的人工成本及材料成本。该项目采用PVD智能驱动与控制系统后约节约成本12万元/a。

图4 负载率与功率因数关系

4.4 提高带式输送机的检修和使用效率

采用PVD智能驱动与控制系统后，由于永磁变频电动机配合变频器可长时间运行在低带速情况下，便于带式输送机验带及检修工作，提高了输送带的检修和使用效率。

5 结论

总结运输大巷DTL120/180/2×250固定带式输送机与工作面DSJ120/150/3×560可伸缩带式输送机运行情况,PVD智能驱动与控制系统包含的三大核心技术(直驱技术、变频技术、智能控制技术)是较为成熟的，核心部件(永磁变频同步电动机、PVD专用变频器、智能控制装置)性能与品质也是可靠的。因此,该项目的新技术、新科技的应用是成功的。

PVD智能驱动与控制技术的应用，综合提升了矿井科技含量，促进了矿井科技进步，不仅为矿井在节能环保方面的发展提供了技术支持，而且为矿井后续自动化、智能化改造打下了坚实的基础。