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北京利德華福電氣技術有限公司 劉福濤
摘要：采用高壓變頻器拖動帶式輸送機，是礦井提高皮帶壽命、安全可靠性的重要手段。本文通過對液力耦合器與變頻器在皮帶機應用的比較、變頻調速系統結構的分析，結合山西天地王坡煤業有限公司的皮帶改造現場，介紹皮帶機系統變頻改造相關技術，以及高壓變頻器在皮帶機系統上的應用情況。
關鍵詞：皮帶機、高壓變頻器、矢量控制、轉矩協調、主從控制
一、 前言
皮帶機在煤礦的使用非常普遍。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，因此，《煤礦安全規程》規定，大功率皮帶機必須加設軟啟動裝置。目前煤礦采用的軟啟動裝置絕大部分是液力耦合器。還有使用CST的（集變速箱，耦合器，電液控制為一體）。液力耦合器（液耦）雖然能部分解決皮帶機的軟啟動問題，但還是存在維護工作量大，能耗高，對皮帶強度要求高等弊端。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，已經逐步取代傳統液耦的位置。
二、用戶簡介
山西天地王坡煤業有限公司是由天地科技股份有限公司、山西省澤州縣國有資產管理處和煤炭科學研究總院共同出資組建的有限責任公司，位于煤炭資源儲量豐富的山西省晉城市澤州縣境內，距晉城市區約28公里，井田面積29.23平方公里，可采儲量2.2億噸，是山西省、晉城市“九五”期間的重點工程項目之一，礦井年設計規模為150萬噸。如圖1所示：
圖1、天地王坡煤礦辦公樓
三、應用現場皮帶機系統基本情況介紹
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。
天地王坡煤礦的皮帶機，由兩臺電機拖動（2×1400kW），電機配置在機頭。如圖2所示：
圖2雙機驅動示意圖
主要參數如下
皮帶機參數：
輸送量Q=1800t/h；輸送長度L=1160m；傾角 θ=17°；帶寬B=1200mm；帶速V=4.5m/s；膠帶ST4000；安全系數m=7.34；功率P=1400×2kW；最大張力S=653570N
電機參數：
型號YB710S2-4；頻率范圍5-50HZ；功率1400kW；電壓6000V；電流159.5A；功率因數0.88
圖3 皮帶機改造現場
四、煤礦皮帶機變頻調速系統方案設計
首先簡要分析在拖動皮帶機配置上，傳統液耦的劣勢及高壓變頻器的優勢。
傳統液耦存在的弊端如下：
1、采用液耦，電動機必須先空載啟動。工頻啟動時，最初的電流很大，為電動機額定電流的4～7倍。啟動瞬間電流會在啟動過程中產生沖擊，引起電動機內部機械應力和熱應力發生變化，對機械部分造成嚴重磨損甚至損壞。同時還將引起電網電壓的下降，影響到電網內其他設備的正常運行，因此，大容量的皮帶機還必須附加電動機軟啟動設備。如：水電阻；
2、液耦長時間工作時會引起液體溫度升高，熔化金合塞，還會引起漏液，增大維護工作量，污染環境；
3、采用液耦時皮帶機的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強度要求較高；
4、一般的皮帶機都是長距離大運量，通常都是多電機驅動，采用液耦驅動很難解決多電機驅動時的功率平衡問題。
采用高壓變頻器對皮帶機進行驅動的優勢如下：
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至最小，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60～200s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。應用變頻器對皮帶機驅動時可以采用一拖一控制，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的多，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前升速。對于載荷不均的皮帶機系統，可節約電能、降低皮帶的磨損。
其次介紹一下皮帶機采用變頻系統控制，可以選擇的不同控制方案。
皮帶機由多臺電機拖動時，由于各電機輸出是通過皮帶耦合在一起的，因此需要考慮協調控制問題。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，根據現場配置和要求不同，可選擇如下3種驅動方案：
1、對于功率較小（一般單機額定電流在50A以下），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；
2、對于需要主動進行各電機出力均衡控制的場合，如果電機數量較少，距離較近，系統構成較簡單，可采用主-從控制方案；
3、如果電機數量較多，或者相距較遠、系統較復雜，可采用統一協調控制方案。
一拖多運行方式。多臺電機由一臺變頻器拖動，可以保證多臺的轉速相同，電機根據其滑差特性分配負載轉矩，需要各電機參數較為一致。此種方式下，由于電機直接并聯運行，因此變頻器無法控制各電機的出力平衡，各電機出力的平衡性由電機特性差異、滾筒直徑差異、皮帶包絡角差異等因素決定。該方案系統成本最低，但變頻器故障將導致皮帶系統無法運行，因而不太適用于考慮電機冗余配置的場合。以雙機運行為例的主回路結構圖如圖4所示，圖中工頻旁路為可選配置。
圖4一拖二并聯運行方案系統結構
對于需要進行各電機出力均衡主動控制的場合，如果電機數量較少（一般不超過6臺），各電機距離較近（一般不超過50米），系統構成較簡單，可以采用多機主-從一拖一控制運行方案。此種方式支持N+1冗余系統配置，即任意1臺變頻器或者電機發生故障時，不破壞主-從控制架構，在皮帶系統允許的情況下，可以依靠剩余的變頻器和電機繼續驅動皮帶運行。每臺電機由一臺變頻器拖動，運行在矢量控制方式下。其中一臺變頻器作為主機，接收來自用戶上位控制系統的信號，負責皮帶系統的速度控制和整體邏輯控制；其余的變頻器作為從機，接收來自主變頻器的轉矩給定信號和邏輯控制信號，并向主變頻器報告自身的狀態。由于各變頻器執行相同的轉矩給定信號，因此各電機的輸出轉矩相同。 該方案的特點是，系統配置簡單、可靠，能夠滿足N+1的電機配置要求，能夠完成主動的轉矩協調控制，使各電機出力相同。此系統架構如圖5所示：
圖5主從一拖一控制方案系統結構
對于需要進行各電機出力均衡主動控制的場合，如果電機數量較多，或者各電機距離較遠，系統構成較復雜，或者需要N+2以上的冗余配置，可以采用多機統一協調控制運行方案。此種方式下，每臺電機由一臺變頻器拖動，運行在矢量控制方式下。專設一臺協調控制柜，協調控制柜接收來自上位控制系統的轉速給定信號和起停邏輯信號，以及來自現場的轉速反饋信號，負責皮帶系統的速度控制和整體邏輯控制。各變頻器均作為從機，接收來自協調控制柜的轉矩給定信號和邏輯控制信號，并向協調控制柜報告自身的狀態。因為各變頻器執行相同的轉矩給定信號，故各電機的輸出轉矩相同，由于各變頻器地位相同，因此能夠實現多機系統的冗余設計。該方案的特點是控制策略靈活，能夠滿足用戶現場各種實際需求，能夠實現復雜系統的協調控制。此系統架構如圖6所示：
圖6協調柜控制方案系統結構
五、 現場高壓變頻調速系統及采用的控制方案介紹
現場采用兩套北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-VA06/180系列矢量控制高壓變頻調速系統，額定電壓6kV，額定電流180A，額定功率1400kW。如圖7所示：
圖7高壓變頻器現場安裝情況
該系列高壓變頻調速系統，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，滿足用戶對于礦用負載調速節能、改善生產工藝的迫切需要；為了最大限度的縮短高壓變頻調速系統安裝和改造的施工周期，系統采用了一體化設計的理念，包括變壓器柜、功率柜、控制柜等所有部件及內部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號線即可。在先進的生產和管理環境中，整套系統在出廠前已進行整體測試，確保每一臺出廠設備的質量和性能。
為了適用改造項目的需要和降低新建項目的投入，高壓變頻調速系統中的每一個功能部件可以分步進行安裝，確保了高壓變頻調速系統不會在運輸和安裝過程中出現意外，方便的前后維護方式、靈活多樣的散熱方式、高性能的重要進口元器件、先進的生產工藝大大的降低了高壓變頻調速系統對現場環境的要求。
其主回路如圖8所示（圖中n代表級數）：
圖8系統原理圖
HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統本體由變壓器柜、功率柜及控制柜組成。如圖9所示：
圖9高壓變頻調速系統示意圖
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，高壓變頻調速系統適宜采用主-從方式進行控制。一臺變頻器作為主控，發出輸出轉矩給定值，控制另一臺高壓變頻調速系統同步運行。各高壓變頻調速系統僅對電機的轉矩進行控制，從控電機的轉速是不可控量，由物理系統的實際特性決定運行兩臺電機的速度匹配。如圖10所示，主控高壓變頻調速系統控制1#電機的轉速，并給出兩臺電機的輸出轉矩給定值，從控高壓變頻調速系統根據收到的電機輸出轉矩給定值控制2#電機的輸出轉矩。
圖10主-從控制結構負載平衡控制示意圖
變頻器采用無速度傳感器矢量控制技術，對電機轉速的精度控制在0.5％以內，如果需要電機需要更高的控制精度，可以采用速度傳感器，控制精度在0.1％以內。
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。如圖11所示：
圖11主-從一拖一控制反饋信號示意圖
六、總結
皮帶機的驅動系統采用北京利德華福電氣技術有限公司生產的全數字交流高壓變頻器，不但提高了生產效率和系統的綜合可靠性，降低了能耗，而且達到了現場安裝方便、運行性能安全良好的效果。實踐證明，利用技術先進、成熟安全的高壓變頻調速系統可以全面實現高效調節現場工況，提高系統自動化程度，節約電能的目的。使用高壓變頻器可以大大降低現場維護量，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。
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