產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在煤礦皮帶輸送系統中應用綜述
1 引言
在煤礦上，運輸系統主要由皮帶機、刮板輸送機和提升機組成，而在數量上以皮帶機為主。以往為了實現皮帶的軟啟動，需要使用液力耦合器或者液力軟啟動器，這類液力傳動設備維護工作量大，能耗高，在機械上產生劇烈沖擊，加速機械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等問題都會給企業帶來很大數額的費用問題，已越來越不能滿足用戶的要求。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，其應用范圍越來越廣泛。對煤礦的皮帶輸送機進行變頻改造，對節約能源、增加煤礦企業的經濟效益都具有非常顯著的效果。
2皮帶機系統基本組成
皮帶機是用繞經頭輪，尾輪而連接起來的膠帶，組成一條封閉的環形帶，通過電機受電，由電能轉化為動能帶動動頭輪運轉，利用頭輪與皮帶之間的摩擦力帶動皮帶連續運轉。
皮帶機廣泛應用于礦山、冶金、煤炭等部門，是煤礦的關鍵設備，它肩負著礦井上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據輸送工藝要求，可以單臺輸送，也可多臺組成或與其他輸送設備組成水平或傾斜的輸送系統，以滿足不同布置型式的作業線需要。
皮帶機的驅動分類有以下三種方式：單機驅動，雙機驅動，多機驅動。驅動示意圖分別如圖1，圖2，圖3所示。
圖1皮帶機單機驅動示意圖
圖2皮帶機雙機驅動示意圖
圖3皮帶機多機驅動示意圖
以2個拖動電機為例，說明皮帶系統主要組成：
（1）皮帶機機頭，是礦井的出煤口。皮帶從井底拖運出來的煤經過機頭位置時，自動被拋卸到礦井煤場。
（2）卸完煤后的空皮帶經過一個轉向輪，分別通過1#電機拖動的主動滾筒，和2#電機拖動的從動滾筒后，皮帶在經過一個導向輪運行到井底完成一次運煤過程。
（3）在礦井的底部，裝有皮帶張緊系統，其主要作用是調節皮帶的松緊程度，防止皮帶過松導致的兩臺主動輪打滑現象或者重載溜車現象，以及皮帶過緊導致的皮帶異常損傷。
（4）皮帶機制動與逆止保護裝置。皮帶機除了變頻器的保護系統外，還有自身的一些保護措施，如油壓制動系統，逆止裝置等。現場的油壓制動系統在兩臺動力滾筒上各安裝了一套油壓剎車系統。在停車狀態或故障狀態下，兩臺油壓剎車處于制動狀態。正常生產時，剎車片處于松開狀態。皮帶機的逆止裝置安裝在減速器的低速軸上。皮帶機出現重大故障，其它保護失效時，逆止裝置通過機械力阻止重載皮帶向下溜車。
3 皮帶機的多種驅動方式比較
目前國內井下帶式輸送機的驅動方式常用的有：電氣軟啟動、CST、液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動實質是降壓啟動，故機械特性偏軟，難于滿足功率的帶式輸送機重載啟動的要求。通過以下比較，從驗帶功能、功率平衡精度、節能、初期投資、后期維護等方面看，變頻驅動有著明顯的優勢。各方面比較詳見表1所示。
表1皮帶機的多種驅動方式
4煤礦皮帶機變頻調速系統方案設計分析
皮帶系統中通常由1臺或2臺電機驅動皮帶，但根據實際工況不同，也有3臺甚至4臺電機驅動皮帶的情況，這樣在變頻調速改造中就面臨多機驅動的問題。根據電機學原理，對于滑差0.01的電機，變頻器輸出頻率相差0.2%時，將會導致約20%的輸出轉矩不平衡，在輕載時，變頻器少量的輸出頻率差別，還會導致輸出頻率較低的變頻器進入能量回饋狀態，進而發生過壓故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各電機出力。在實際應用中，根據現場工藝不同，可以選擇不同的變頻控制方案。變頻控制皮帶機有多種方式，有一拖一控制，一拖二控制，一拖多控制，主從控制等。以現場比較典型的兩種方式進行介紹如何控制。
4.1直接“一拖多”方案
此方案中，各電機定子繞組直接并聯，統一由一臺變頻器驅動。由于僅采用1臺變頻器，此方案具有成本低，占地小的特點。
此方案中，功率平衡尤為重要。當兩臺電機出力不均勻時，必將導致一臺電機過載而另一臺電機欠載，嚴重時會使過載的電機燒毀，甚至可能使變頻器主回路的IGBT模塊損壞變頻器無法對各電機的轉矩進行獨立的控制。而各電機的出力由電機參數和皮帶系統參數決定。其中，影響電機功率平衡的主要因素是電機的參數差異、電機動力滾筒的直徑誤差和皮帶包絡角差異。誤差越大，系統中電機的功率差異就越大。在沒有人為的設計差別的情況下，一般上述誤差都是生產中的加工誤差。
電機動力滾筒的直徑誤差在初期生產中會引起電機功率誤差，但由于皮帶系統的物理特性，經過一段時間使用和磨損后，這一誤差將逐漸減小。
對于功率較小，電機數量較少（一般不超過3臺），低成本應用場合，可以選擇一拖多并聯運行方案，這將大大降低變頻調速系統的采購價格。
4.2多機“主從”控制方案
對于需要主動進行各電機出力均衡控制的場合，可采用主從控制方案。
現場每臺電機配置一臺變頻器，所有系統中的高壓變頻器由一臺“協調控制系統”統一協調控制。該協調控制系統通過對各變頻器反饋的電機運行狀態，協調各變頻器的運行指令，各變頻器根據該指令對各自的電機進行獨立的控制，使各電機轉速相同、出力相同。多機主從控制皮帶機控制系統原理如圖4所示。
圖4 多機主從控制皮帶機控制系統原理圖
控制過程如下：
以其中的一臺變頻器為主機，其余的變頻器為從機，對變頻器的輸出電流進行采樣比較，通過改變從機的控制信號，使其始終跟隨主機而變化。當從機的電流大于主機時，降低從機的給定信號，從而使從機的輸出頻率減小，電機轉速降低，負荷減輕，電流變小；當從機的電流小于主機時，提高從機的給定信號，從而使從機的輸出增大，電機轉速升高，負荷加大，電流變大。最終使電機負荷基本一致，電流在允許的范圍內。
5 皮帶機電控系統的工作原理
皮帶機在井下并不是單獨使用，往往是多部輸送機一起工作，因此啟動順序必須是前一級設備啟動后，下一級設備方可啟動。在前級閉鎖解除后，對皮帶電控系統的各部狀態進行檢測判斷，具備起車條件后，才能啟動。皮帶電控系統控制原理如圖5所示。
圖5皮帶電控系統控制原理
（1）起車時，皮帶電控首先對皮帶系統傳送過來的信號進行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號正常才能進入下一程序；其次，根據皮帶機頭各傳感器返回的信號檢測制動閘及各開關狀態是否正常；最后，判斷皮帶張力是否在允許啟動范圍內。
（2）當皮帶機各部分都處于正常狀態，具備起車條件，才會發出啟動信號。當發出起車指令后，變頻器起動。操作臺發出變頻運行信號，變頻器按操作臺給定的運行信號輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機按給定的“S”形曲線軟啟。
（3）與此同時，操作臺發出指令使抱閘打開，并檢測抱閘是否完全打開。若抱閘未打開或未完全打開，將關閉運行信號，同時給變頻器抱閘信號使變頻器急停，防止變頻器因堵轉而出現過流跳閘。
（4）當皮帶達到額定速度，電控系統實時檢測皮帶速度與滾筒速度，當二者速度差值超過規定值，緊急停車，并發出打滑報警信號。
（5）系統實時檢測電機溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機電流、抱閘狀態、變頻狀態、PROMOS狀態等，當任一項指標或狀態不正常時，系統緊急停車并報警。
6“一拖多”方案應用案例
山西康偉集團南山煤業有限公司位于沁源縣城西北約32.5km，靈空山鎮東南約2.5km的王莊村西，行政區劃屬靈空山鎮管轄。礦井核定生產能力90萬噸/年，井田面積8.1554km2，批準開采1-11號煤層，服務年限28.7年。礦井設計采用斜井開拓方式，綜采采煤方法，全部垮落法頂板管理方式。全井田共劃分為17個采區，煤層開采順序采用下行式，即按照1號煤層、2號煤層→3號煤層→6號煤層→11號煤層順序進行開采。
南山煤礦礦井皮帶有關參數如表2所示。兩臺電機銘牌中主要參數如表3所示。
現場采用一套新風光公司生產的JD-BP38-710P高壓變頻調速系統，額定電壓10kV，額定電流51A，額定功率710kW，采用“一拖二”控制方案，主回路控制接線如圖6所示：
圖6一拖二控制一次接線圖
現場采用一臺710kW變頻器同時拖動兩臺315kW電機，變頻器檢測2個部分的電流值：一個是變頻器總的輸出電流，另一個是1#電機的運行電流。這樣，變頻器就可以通過計算得到2#電機的運行電流，通過比較1#和2#電機的運行電流來調整變頻器的輸出，來平衡兩臺電機的功率。
該變頻器于2010年12月1日調試，模擬調試與操作臺的對接信號正常后，進行帶輕載聯動調試正常。12月2日，設備進行上煤進行重負荷試驗時出現1#與2#電機輕微偏流現象，通過調整1#電機導向輪來調整皮帶包絡角后，2臺電機輸出電流基本一致，并成功投產運行。該設備至今沒有出現任何故障。
7多機“主從”控制方案應用案例
山西梗陽投資有限公司是一個以煤炭生產、焦炭及化產品生產、房地產開發三大板塊為主的多元發展的現代企業集團。公司總部設在省會太原市，公司總資產75億元，現有員工5000余人， “十二五”規劃年銷售收入達到100億元以上，是山西省大企業集團之一。
山西呂梁中陽梗陽煤業有限公司是其下屬子公司之一，煤礦地處中陽縣城西南約12km，年設計產能為120萬噸。礦井提煤皮帶機建井初期采用315kW雙機拖動，隨著生產規模的擴大，原有皮帶機不能滿足生產運煤的需要。煤礦領導經研究決定對皮帶機運煤系統進行改造，皮帶機采用450kW雙機拖動，皮帶機以及拖動電機具體參數如表4、5所示。
山西呂梁中陽梗陽煤礦皮帶機現場采用2臺JD-BP38-630P（630kW/10kV）高壓變頻器分別控制2臺450kW高壓電機，采用“一拖一”主從控制方案，主回路控制接線如圖7所示。
圖7 一拖一控制一次接線圖
對于兩機驅動的皮帶機變頻控制，為了有效實現電機的負載平衡控制，高壓變頻調速系統采用主從方式進行控制。現場采用2臺630kW變頻器分別控制2臺450kW高壓電機，如圖8所示，選用1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，由操作臺發給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus總線通信，1#變頻器作為主控，檢測1#和2#電機的運行電流，發出輸出轉矩給定值，控制2#從變頻調速系統同步運行。
圖8 皮帶機變頻器主從控制簡圖
主控高壓變頻調速系統和從控高壓變頻調速系統均有外部信號連鎖控制和狀態、報警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調速系統接收本地或者遠程的“啟動”、“停機”和“緊急停機”指令，以及來自從控高壓變頻調速系統的“緊急停機”指令，從控高壓變頻調速系統接收來自主控高壓變頻調速系統的“啟動”和“緊急停機”指令，同時接收從控高壓變頻調速系統本地或者遠程聯動的“緊急停機”指令。在兩臺高壓變頻調速系統的PLC邏輯程序中進行邏輯互鎖，使得兩臺高壓變頻調速系統同時啟動，同時停機。
該套系統于2010年7月12日成功投運，至今運行正常，沒有出現任何故障。
8采用高壓變頻器對皮帶機進行驅動的優越性
（1）真正實現皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產生的沖擊減小，幾乎對膠帶不造成損害。
（2）降低膠帶帶強。由于變頻器啟動時間可以在1～3600s內調整，皮帶機啟動時間通常在60～120s內根據現場情況設定。啟動時間延長大大降低對帶強的要求，減少設備初期投資。實際應用中，由于降低了啟動沖擊，機械系統的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。
（3）實現皮帶機多電機驅動時的轉矩平衡。多電機驅動時采用主從或協調柜控制方式，實現轉矩平衡。
（4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調速系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下可調整0～100%額定帶速范圍內的任意帶速。
（5）平穩的重載啟動。變頻器低頻運轉可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動。
（6）自動調速。變頻器配合煤流傳感器可以根據負載輕重自動調節膠帶速度，節電的同時還減少了膠帶的磨損。
（7）節能。對應于煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然皮帶機系統的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大得多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，采用單獨的控制系統對前級運輸系統的載荷、本機運輸系統的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提速。對于載荷不均的皮帶機系統，可節約電能、降低皮帶的磨損。
9 結束語
新風光電子科技股份有限公司生產的高壓變頻調速系統在多個煤礦多種控制方式的成功應用，驗證了風光牌高壓變頻調速系統可滿足皮帶系統的多種控制需求。實踐證明，利用技術先進、成熟安全的高壓變頻調速系統控制拖動皮帶機，提高了煤礦皮帶輸送系統自動化控制水平，節約了電能，大大降低了現場維護量，帶來可觀的效益，切實響應國家節能降耗的號召，值得大力推廣。
