基于变频技术的综采联控智能调速方案研究.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation722023 年 第 19 期文章编号：2095-6835（2023）19-0072-03基于变频技术的综采联控智能调速方案研究王群峰（中煤张家口煤矿机械有限责任公司，河北 张家口 076250）摘要：综采工作面三机运输设备采用能够改变频率的变频器供电，并采用变频器集中控制器，通过通信线采集转载机变频器与前后部刮板机变频器的运行数据，根据采集到的转载机电流，判断转载机此时的运行状态（空载、轻载、重载）。通过改变三机变频器的频率，重载时对前后部运输机进行智能降频降速，轻载时对前后部运输机进行智能升频升速，空载时对三机设备进行全部降频降速。通过一台变频器集中控制器进行三机联控智能调速，完美解决了重载启动问题，充分利用了变频技术的优势，达到节能降耗的目的。关键词：变频器；联控；调速；三机设备中图分类号：TD823文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.022由于煤矿井下综采工作面三机设备停车的随机性和负载的巨大波动性，以及工作面生产时其他设备故障或突发的事件，常导致三机设备意外停机，经常需要在重载下重启三机设备。由于三机设备上压煤太多，导致出现启动困难的现象，甚至需要工人去清理压煤。采用变频驱动后，变频器可以自由调节电机供电频率，以低于 50 Hz 的频率启动，在各种控制模式的保障下，实现电机低速启动，保证电机可以输出较大转矩，解决刮板机重载启动的问题。传统方式中，电机为单速电机或者双速电机，采用电磁启动器供电，在刮板机启动后，电机一直保持在工频下工作，电机的转速和转矩只能依靠电机自身的特性曲线自适应调节，无法自主调节电机转速，造成刮板机负载很小时或者刮板机空载时，电机的空载电流为额定电流的 20%40%，仍然维持设备在额定转速下运行，必然造成设备的磨损及能源的浪费。如果实现综采工作面三机智能协调控制，保证所有采煤设备正常运行。当转载机负载过重时，如果不控制减少转载机装载煤量，将造成转载机过载运行，甚至停机，影响整个工作面继续生产；当转载机负载较轻时，可以提高采煤机采煤量，并且前后部刮板机升频升速运行，提高生产效率。基于变频技术的联控智能调速，应用 550 Hz 频率连续可调的变频器，通过变频器集中控制器采集变频器的运行数据，经过整理运算，按照调速运行方案，控制变频器改变频率，驱动三机设备升频或降频运行，使三机设备运行速度和工作面采煤工况相匹配，提高了采煤设备的有效利用率，减少了不必要的设备磨损，延长了设备的使用寿命，为煤矿节能降耗，增加收益。1变频器调速背景井下综采工作面三机设备带载启动时，电动机启动电流为额定电流的 68 倍，这样会导致整个电网电压降低，影响三机设备的启动性能，同时也会影响电网上其他工作面设备的正常运行，导致其他正常运行的设备报欠压保护故障，使设备停机。设备的频繁启动，也会使电动机绕组发热过高，从而加速电动机设备的绝缘老化，影响电机的使用寿命。使用了变频驱动后，变频器可以使电机以低频启动，提供较大的启动转矩的同时，大大降低电机启动电流，使电机在慢慢启动时，不会对整个电网产生较大的电流冲击，不会对电网其他设备产生较大影响，降低启动电流产生的压降，提高了刮板输送机的启动性能，降低了电机的绕组内耗，电机发热随之减少，增加电机寿命1。一般电机的启动时间为 46 s，三机设备的链条传动系统尽管有一定的预张紧力，但在电动机启动瞬间，几乎所有的传动元件都要承受突然的冲击力，即使用双速电动机驱动时，在由低速启动切换到高速运行时也会产生机械冲击。在使用变频技术驱动后，设备启动和运行过程中，速度变化、转矩变化都以平滑的方式过渡，减小在启动和运行过程中对机械设备带来的冲击和磨损，有效提高设备的使用寿命。随着电力电子技术的不断发展，变频技术在中国各行各业得到了广泛的应用，采用变频调速技术，不仅节约了电能，而且实现了重载设备的软启动，变频器可以将异步电动机的启动转矩提升到最大值，因此在实现重载启动的同时避免了启动过程中对电网的冲击。此外变频器在不影响电动机输出转矩的情况下可以实现运行过程中的智能调速，能够实现刮板输送机Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期73运行过程中各驱动部的功率平衡，使刮板机运行更平稳，能够降低故障率，提高其使用寿命。目前国内大部分煤矿都在积极促进智能化工作面在本矿的实现，市场前景广阔，各个设备生产厂家也相继推出自己的自动化集控系统，实现对综采工作面设备的智能化集中控制，对矿井的供电安全、人员安全、集中管理、集中调度、高产高效起到至关重要的作用，能更大程度地提高矿井安全、减轻煤矿工人的劳动强度，符合现在少人化工作面的发展趋势。为实现煤矿智能化，每个省、每个能源集团都有各自的智能化验收标准，煤矿根据验收标准，选用智能化设备满足矿井智能化验收，三机设备的变频软启动，并实现智能调速是智能化验收的标准之一。2联控调速的必要性2.1减少浪费当井下三机设备全部运行后，如果没有负荷，电机空载运行时，电机的空载电流为额定电流的 20%40%，仍然维持三机设备在额定转速下稳定运行，必然造成设备的不必要磨损及能源的浪费，将三机设备控制在低速运行，减少了设备的磨损，节约了更多的电能。2.2实现三机协调控制三机协调控制，能够保证设备正常运行。井下三机设备是按一定顺序启动和停止，一台设备出现问题，会影响整个工作面的运转，当转载机负载过重时，如果不减少转载机装载煤量，将造成转载机过载运行，甚至停机，影响整个工作面继续生产2；当转载机负载较轻时，可以提高采煤机采煤量，并且前后部刮板机升频升速运行，提高生产效率。2.3满足智能化建设需求实现综采工作面的三机智能联控调速，符合当下煤矿智能化建设时，综采工作面三机设备必须具备调速功能的要求。三机智能调速是煤矿智能化建设的基本要求之一，是必须实现的功能，只有这样，最终才能实现集中控制工作面、运程操作、协同保护、智能控制功能，实现工作面“无人跟机作业，有人安全值守”的智能化开采目标。2.4利于设备的运行管理驱动三机设备的变频器互不关联，独立运行，导致三机设备整体运行工况缺少有效的数据支撑，不能及时发现设备中存在的问题及隐患，造成设备故障停机，故障发生后也没有数据能够分析故障发生的原因，无法直接排除故障，进而影响煤矿生产及效益。将三机设备变频器的数据通过数据线整合到一起，通过集中控制设备实时采集三机的电压、电流，对数据进行参数校正，计算有功功率，并对监测数据进行存储、分析，通过波形图直观显示数据，能更好研究三机整体运行工况，发现存在的问题及隐患，为改进刮板机结构、优化采煤工艺，提供大量有效的数据支撑。3联控调速实施方案3.1联控调速的可行性在煤矿井下综采工作面，三机设备按顺序启动运行之后，采煤机开始按采煤工艺进行割煤，割下来的煤落在刮板机上，刮板机不停地运行，再将煤运输到转载机上，然后通过多部皮带运输，最终将煤运送到地面煤仓。煤经过刮板机及转载机时，拖动刮板机及转载机的电机电流会发生明显的变化，以此可以判断刮板机及转载机上的煤量，进而通过改变变频器频率，调节刮板机及转载机运行速度，实现调速的目的。煤矿井下综采工作面三机设备的变频器是相互独立运行的，没有数据交互，不能实现相互调节，需要用到一个变频器集中控制器，并将每台变频器的数据通信线都接到集中控制器。变频器集中控制器为隔爆兼本质安全型结构，显示屏的串口与变频器分站通过通信协议完成数据的采集和控制信号的输出；主控板完成对键盘和按钮的输入信号的采集3，以及对下位机的控制启停输出，通过 ModBus 协议与显示屏完成信息的交换。变频器集中控制器作为单台或多台变频器的控制器，能够对每台变频器运行数据进行实时集中显示和集中启停控制，并能根据需求改变每台变频器的给定频率，使变频器减速或加速运行，最终实现对综采工作面三机设备的联控智能调速。3.2联控调速原理分析4-5根据运行电流检测当前负载：电机运行时，负载如果发生变化，电流也随之改变，负载增加，电机电流增加；负载减小，电机电流减小。通过变频器集中控制器采集三机设备所用变频器的运行数据和状态，判断三机设备当前的运行状态，将采集到的变频器电流数据进行分析计算，采用模糊控制算法，判断出三机负荷的大小，然后通过改变变频器频率，调节三机设备运输速度，以此实现对三机设备的联控智能调速。3.3联控调速方案3.3.1空载运行时的调速方案当变频器集中控制器采集到转载机及前后部刮板机运行电流非常小时，即负载特别小，判定为空载运行时，此时应降低转载机及前后部刮板机的运行频率，并保持低频率持续运行。科技与创新Science and Technology&Innovation742023 年 第 19 期3.3.2轻载运行时的调速方案如果监测到转载机运行电流较小，属于轻载运行时，变频器集中控制器根据监测数据，通过分析计算，提高前后部刮板机运行频率，使刮板机升频、升速，实现高速运行，进而增加转载机装煤量，同时采煤机也应相应提速，加大采煤量。3.3.3重载运行时的调速方案如果监测到转载机运行电流较大，属于负载过重运行时，变频器集中控制器根据监测数据，通过分析计算，降低前后部刮板机运行频率，使刮板机降频降速，从而低速运行，进而减少转载机装煤量，同时采煤机也相应降速，减少采煤量。3.4联控调速预设参数需要进行调速时，按照工作面设备的配置及采煤工艺要求，首先将适合的联控调速参数设置完成。调速使能：调速控制有效或无效，有效时对三机调速，无效时对三机不调速。刮板机上限频率为前（后）部刮板机运行的最高频率，上升到此数值时不再升高频率。刮板机下限频率为前（后）部刮板机运行的最低频率，下降到此数值时不再降低频率。转载机给定频率为转载机启动后正常运行的频率。当转载机达到转载机降频电流值时，开始对前（后）部刮板机进行降速控制；当转载机达到转载机正常电流值时，停止调速控制；当转载机达到转载机升频电流值时，开始对前（后）部刮板机进行升速控制。升频幅度为前（后）部升高频率时一次升高的频率幅度，降频幅度为前（后）部降低频率时一次降低的频率幅度。调速延时为升频降或频条件符合后，延时一段时间后再升频或者降频；电流持续时间为转载机电流持续大于降频电流或升频电流的时间。3.5联控调速控制过程6-83.5.1起始过程综采工作面三机设备按照采煤工艺正常顺序启动，运行一定时间后，转载机运行到设定的转载机给定频率值，前后部刮板机运行到刮板机上限频率值。三机设备正常运转，采煤机按照采煤工艺正常运转采煤。3.5.2降频降速控制过程降频降速原则：降速调节时，当前后部刮板机运行频率一致时，前后部刮板机运行电流较大的优先降速；当运行频率不一致时，运行频率高的优先降速。降速过程中，当变频器运行频率降至给定频率后，再进行下一步降速调节。当持续一定时间后，转载机电流平均值大于“降频电流”时，开始降速控制。变频器集中控制器控制前后部刮板机交替降速运行，前后部刮板机按降速幅度降频，延长检测时间后，监测转载机电流。如果前部刮板机与后部刮板机未下降到“下限频率”，转载机电流持续小于等于“正常电流”，前后部刮板机停止降速并保持当前速度持续运行。如果前后部刮板机已经持续运行到“下限频率”，转载机电流依然大于“正常电流”，可通过降低采煤机速度或减少放煤量来减小负载。3.5.3升频升速控制过程升频升速原则：升速调节时，当前后部刮板机运行频率一致时，前后部刮板机电流较大的优先升速；当运行频率不一致时，运行频率低的优先升速；升速过程中，当变频器运行频率升至给定频率后，再进行下一步升速调节。持续一定时间后，转载机电流平均值小于“升频电流”时，开始升速过程。变频器集中控制器控制前后部刮板机开始交替升速运行，前后部刮板机按升频幅度升速，运行稳定，延时检测时间内，监测转载机电流。如果前部刮板机与后部刮板机未达到“上限频率”，持续一定时间后转载机电流已经大于“正常电流”，前后部刮板机停止升速并保持当前频率持续运行。如果前后部刮板机达到“上限频率”，持续一定时间内转载机电流小于“正常电流”，升速控制流程结束；可通过提升采煤机速度或增加放煤量来增加负载，提高产量。联控调速控制示意图如图 1 所示。图 1联控调速控制示意图4结束语基于变频技术，实现综采工作面设备转载机、前后部刮板机的重载低速启动，避免设备启动过程中对电网带来冲击和压降，减小机械冲击和磨损，提高设备寿命；可以根据负载大小和实际工况进行智能调频（下转第 79 页）转载机电流降频电流正常电流升频电流降频启动降频运行降频停止升频停止升频运行升频启动长期稳定运行Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期79道采用钻爆法施工，光面爆破，无轨运输。主要开挖方法有半部 CD 法、三台阶法、台阶法和全断面法。通过使用本技术确保了仰拱填充 23 d/模，与最大开挖进尺 4 m/d 相匹配，仅耗时 17 个月便实现了隧道全部贯通，比合同工期提前 6 个月。该技术同步运用于山东临临高速公路黑铁山隧道（位于淄博市张店区，长 1 320 m，双向六车道）和岳阳山隧道（位于淄博市淄川区，长 3 267 m，双向六车道），均取得了很好的效果，实现了低成本和高安全下的快速施工。4结束语通过该技术在山东济潍高速盘顶山隧道中的成功应用，笔者总结出自行式双线栈桥仰拱施工技术的6 个优点。随着经济的高速发展，长大隧道必定会日益增多，该技术在未来类似的工程中将得以充分应用并发挥价值。6 个优点如下：配备自行式双线栈桥，保证了仰拱、填充混凝土浇筑过程中，混凝土罐车在栈桥上行走、卸料和掌子面施工工序车辆在栈桥行走互不干扰，实现了工序循环连续作业。改变了传统的仰拱栈桥需人工布料搬运混凝土的做法，降低了劳动强度大，节省了人力投入。两仓仰拱、填充混凝土流水作业，混凝土得到充分养护，强度得到有效保证，保证了工程质量。栈桥采用链条式牵引装置，能实现两仓 212 m 仰拱、填充混凝土连续流水作业。采用链条牵引作为行走部件，极大提高了适应隧道内复杂环境的能力，且链条维修保养方便。配置了仰拱专用模板，实现仰拱与填充混凝土分别浇筑，结构更符合设计要求。一次浇筑 12 m 长仰拱与填充混凝土，减少了施工缝，降低了施工缝止水带安装瑕疵导致的隧道渗漏水概率。链条式牵引机构位于栈桥主梁上，利用主梁进行中心沟及仰拱模板和栈桥进退，一人采用遥控手柄便可操作，行走灵活，不再需要借助其他设备，施工安全，作业效率高。自行式双线栈桥横向宽度较大，需占用较大的空间，对隧道断面较小的隧道不太适用。同时，因自行式双线栈桥长度较大，对开挖安全步距控制较高的隧道难以保证安全步距要求，需经过专家论证，根据工装设备配置合理确定安全步距。参考文献：1井发岳.一种大跨距自行式隧道仰拱栈桥的研究与应用J.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2018，31（增刊2）：174-177.2田晓峰.长大隧道自行式移动仰拱栈桥研制及施工技术J.施工技术，2017，46（15）：120-123.3武明静.万荣隧道 24 m 自行式仰拱栈桥施工技术研究J.铁道建筑技术，2017（8）：84-87.4张光明，邓君，吕虎.隧道仰拱作业区快速施工技术J.机电工程技术，2021，50（7）：179-180.5刘顺成.自行式仰拱栈桥研究与设计J.铁道建筑技术，2020（6）：76-79，92.6张光明.大跨度伸缩式仰拱栈桥设计及应用J.铁道建筑技术，2021（1）：97-100.7王荣山.重载铁路特长单线隧道长仰拱施工技术研究J.铁道建筑技术，2019（1）：98-100，137.8刘喆.铁路隧道智能建造技术的发展与应用J.现代隧道技术，2019，56（增刊 2）：550-556.作者简介：胡运春（1971），男，四川泸州人，本科，高级工程师，注册一级建造师，主要从事长大隧道、高速公路、高速铁路、城市轨道交通工程施工管理与技术研究工作。（编辑：王霞）（上接第 74 页）调速，实现三机设备协调控制，保证设备正常运行，减小三机设备的机械磨损，提高煤矿综采工作面生产效率，达到节能降耗的效果，符合现阶段煤矿智能化工作面建设的总体要求。参考文献：1魏力云.变频启动技术在煤矿运输与通风设备上的应用J.山东煤炭科技，2016（11）：113-115.2赵墨涛.大倾角综采工作面减速器升级技术的研究与应用J.现代农村科技，2020（6）：115.3高有进，杨艺，常亚军，等.综采工作面智能化关键技术现状与展望J.煤炭科学技术，2021，49（8）：1-22.作者简介：王群峰（1986），男，山东济宁人，本科，工程师，研究方向为煤矿自动化。（编辑：严丽琴）