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北京利德華福電氣技術有限公司
摘要：介紹山西泰山隆安煤礦主井皮帶機采用自動控制平臺實現高壓變頻調速技術的理論依據及其調速系統的設計，提出高壓變頻調速在皮帶機應用的技術優點，以及實際運行效果。
關鍵詞：高壓變頻器 皮帶機 煤礦
一、前言
山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業有限公司設計為年產120萬噸兼并重組整合礦井，井田位于山西忻州保德縣城東南部、橋頭鎮北部。礦區面積為20.3196平方公里，礦井生產能力120萬t /a，采煤方法為綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板；礦井采用中央分列式通風系統，主斜井、副斜井進風，回風斜井回風；礦井通風方式為機械抽出式，最終產品為精煤、煤泥和矸石。
泰山隆安煤礦主斜井兼顧運煤和進風作用，凈斷面為12.17平方米，主井皮帶設計長度為380米，帶寬為1米，傾斜角為-15度。皮帶由兩臺高壓電機拖動，實現煤礦運輸到地面的工作任務。皮帶機配合自動控制系統及信號系統，實現主井皮帶運輸系統的高效、穩定、安全運行。
二、 皮帶機采用高壓變頻調速技術的理論依據
1.1 皮帶機簡介
皮帶機是皮帶輸送機的簡稱，皮帶機運用輸送帶的連續或間歇運動來輸送各種輕重不同的物品，既可輸送各種散料，也可輸送各種紙箱、包裝袋等單件重量不大的件貨，用途廣泛。皮帶輸送機可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點到最終的卸料點間形成一種物料的輸送流程。在工業生產中，皮帶輸送機可用作生產機械設備之間構成連續生產的紐帶，以實現生產環節的連續性和自動化，提高生產率和減輕勞動強度，具有輸送量大、結構簡單、維修方便、部件標準化等優點。所以帶式輸送機廣泛應用于現代化的各種工業企業中。
礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統、露天采礦場及選礦廠中，都廣泛應用帶式輸送機。皮帶機設備特點：皮帶機輸送平穩，物料與輸送帶沒有相對運動，能夠避免對輸送物的損壞。噪音較小，適合于工作環境要求比較安靜的場合。結構簡單，便于維護。能耗較小，使用成本低。
1.2 皮帶機工作原理及變頻電機控制
帶式輸送機由輸送帶、托輥、滾筒及驅動、制動、張緊、電控、保護、改向、裝載、卸載、清掃等裝置組成。其主要部分有：輸送帶、托輥、滾筒、主電機、減速器、逆止器、抱閘系統、張緊裝置、導向輪、電控臺、皮帶保護。
皮帶機工作原理圖如下：
圖1.2帶式輸送機實圖
皮帶輸送機的主要參數：一般根據物料搬運系統的要求、物料裝卸地點的各種條件、有關的生產工藝過程和物料的特性等來確定各主要參數。
皮帶機的動力來源于電機轉動，兩臺高壓異步電機通過減速機拖動滾筒轉動，皮帶緊密纏繞滾筒，皮帶與其之間摩擦力保證皮帶前進以輸送物品。大部分煤礦主井皮帶機使用兩臺高壓電機拖動皮帶運行，兩臺電機型號與參數一致，協調運行以保證正常生產，同時兩臺電機也可以單獨運行。在設備出現一臺故障的時候或者生產任務少的時候，單臺運行也可以保證生產的繼續。
煤礦主井皮帶機控制系統包括：顯示系統、人機操作系統、安全保護系統、信號處理系統。顯示系統可以保障現場技術人員清楚地了解皮帶系統各個機構的運行情況及監視運行設備和保護設備的實時數據；人機操作系統，可以方便技術人員安全、正確的操作皮帶系統的各個執行機構，以完成安全輸送煤炭的任務；安全保護系統可以監測皮帶系統各個部分的運行狀態，檢測各種保護數據，完成皮帶系統的保護工作，保證皮帶及人員的安全、穩定、正確運行，主要包括溫度保護、煙霧保護、（超溫）自動灑水裝置（保護）、防滑保護、堆煤保護、防跑偏裝置（保護）等；信號處理系統可以保證顯示系統、人機操作系統、安全保護系統協調工作，完成系統之間的通訊、連接工作。現場使用控制系統見下圖：圖1.3。
圖1.3 皮帶機控制系統
控制系統通過信號采集裝置或者通訊裝置，將現場采集的各種信號（數字量信號和模擬量信號），輸入到控制系統的PLC和安全保護裝置，進行綜合采集和計算。控制系統可以監視和控制與皮帶系統相關的所有機械及電氣機構（包括高壓變頻器），實現皮帶運輸系統的自動化控制。
控制系統、接收各種信號并進行分析，如果符合緊急停機要求，控制系統會在很短的時間進行安全保護動作，自動保障現場人員及設備的安全；完成現場皮帶運輸設備數據時刻顯示和記錄，并可以傳輸到上級管理部門，實現工廠自動化生產的需要。
現場工作人員通過操作臺工作指示燈和屏幕顯示，可以很好的監控皮帶運輸系統的各個機構，在短時間內精確了解設備的工作情況；可以方便的進行皮帶運輸系統的啟動、停止、操控等操作。
電機作為皮帶系統的動力來源，是皮帶運輸過程中的關鍵設備，電機需要有良好的運動性能，包括：良好的啟動停止；平穩的運行；持久的工作壽命；簡單方便的日常維護等。傳統電動機的調速一般有兩種方式，變極調速和轉子串電阻調速。變極調速是有級調速，調速范圍窄，啟動力距小，啟動電流大。轉子串電阻調速性能雖有所改變，但電阻要消耗大量電能，效率低，能耗高。新興的變頻調速系統除了擁有高的調速性能之外，還具有高的效率和節能效果。轉子串電阻調速特點：有較高的起動轉矩、低速時的特性非常軟。換擋時對機械的沖擊大、無法精確定位。無法提供反力矩、效率低、能耗大。變頻調速方式：控制變頻器輸出頻率調速特點：有高的起動轉矩、輸出特性好。無級調速、能精確定位。能提供反力矩、效率高，能耗低。現場使用電機如下圖：圖1.4
圖1.4 皮帶機電機驅動系統
三、高壓變頻調速系統的裝置設計
3.1 高壓變頻器系統原理
根據生產工藝的要求，高壓電機的負載設備在生產過程中必須進行調速。調速方式有中間環節調速和高壓電機本身調速之分。按照電機學的基本原理，已知交流異步電動機的轉速表達式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機極對數； f -電機供電頻率。由上述公式可以看出，只要改變滑差s、或者電機極對數p、或者電機運行頻率f，都可以達到調整電機本身速度的目的。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統采用功率單元串聯多電平技術，屬高－高電壓源型變頻器。變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器三部分組成。一般現場應用還輔以旁路柜、開關柜等。變頻器輸入側采用多重化移相變壓器實現隔離和諧波抵消。無須功率因數補償、諧波抑制裝置，多脈沖整流技術的應用使得變頻器電網側諧波可滿足IEEE519-1992標準和GB/T14549-93標準。變頻器輸出采用多個功率單元移相式PWM波形輸出串聯疊加，得到多電平高壓，實現較低的輸出電壓諧波、共模電壓和dv/dt。無須附加輸出濾波裝置，不會對電機的絕緣、軸承造成損害，可直接驅動普通鼠籠式、繞線式異步電機和同步電機。
圖2.1. 10kV變頻器系統結構圖
圖2.1是變頻器系統結構示意圖。其中，DSP控制器、新型一體化計算機和PLC一起構成變頻器的控制和信號處理系統。此三者相互分工和協調，使變頻調速系統獲得最佳控制性能。
變頻器主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。
3.2 北京利德華福高壓變頻調速系統優點
由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承HARSVERT-A系列產品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優良品質的基礎上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產品能夠實現功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，動態轉矩響應時間小于200ms，啟動轉矩150%額定轉矩，基本達到國際先進水平。
圖2.2 北京利德華福高壓變頻器
目前，HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統具有以下功能：
（1） 恒壓頻比控制
（2） 無速度傳感器矢量控制
（3） 速度閉環矢量控制
（4） 電機參數自動整定
（5） 高壓掉電恢復自動重啟
（6） 旋轉啟動
3.3 皮帶機變頻系統設計
圖2.3 皮帶機雙電機系統
圖2.3為山西泰山隆安煤礦現運行的系統結構圖，皮帶機由兩臺電機拖動，由于目前煤層開采深度小，皮帶長度沒有達到設計最大。
皮帶機多機變頻調速系統的核心問題是皮帶系統中各電機的轉速和轉矩平衡問題。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。1.“一拖二”方案：此方案是采用一臺變頻器同時拖動兩臺電機運行，將各個電機定子繞組直接并聯在一臺變頻器輸出側。“一拖二”方案中，變頻器無法對電機的轉矩進行獨立的控制，因此各電機的出力由電機的參數和皮帶參數決定；其中，影響電機功率平衡的主要因素是電機的參數差異和拖動滾筒及皮帶的包絡角差異；正常情況下，包絡角的大小只存在設計上及加工上的差異，但是當系統正常運行后，由于提升的貨物是潮濕的，皮帶在卸貨物后，上面仍殘留一些煤渣，這時候轉到拖到滾筒上，就會使拖動滾筒直徑變大；誤差越大，系統中電機的功率差異就會越大。采用“一拖二”方案有以下三個弊端；一是變頻器不能有效的分配兩臺電機的功率；二是需要用戶經常清理拖動滾筒的煤渣及雜物；三是變頻器不能有效的保護每一臺電機。2.“雙機聯動”方案此方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機，將各個電機定子繞組直接分別接在兩臺變頻器輸出側。雙機聯動同步運行變頻系統是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證雙電機的轉速、以及功率平衡的。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。雙機拖動方案中，變頻器對電機的轉矩都能獨立控制，主從變頻器通訊采用光纖通訊，抗干擾能力強，通訊速率快，用戶可不必清理拖動滾筒的煤渣及雜物，變頻器主從之間可以自動來調整變頻器輸出轉速及功率一致。
主機采用轉速控制方式，從機采用跟隨主機轉矩和跟隨主機轉速的控制方式。兩臺高壓變頻器分別獨立拖動兩臺高壓電機，兩臺變頻器之間有通訊電纜，實現兩臺電機的協調控制，變頻器主回路電路圖如下圖2.4.
圖2.4 變頻系統主回路示意圖
四、皮帶機采用變頻調速的使用效果
與傳統的調速方式相比，高壓變頻器對交流電動機進行交流控制有許多優勢，如節能，容易實現對現有電動機的調速控制，可以實現大范圍內的高效連續調速控制，容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高頻度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動，可以適應各種工作環境，可以用一臺變頻器對多臺電動機進行調速控制，電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統等等。
主井皮帶機是全礦的流程中樞，一旦皮帶機不能正常工作，將造成全礦停產，且會造成巨大經濟損失。經實際運行發現，使用高壓變頻器的皮帶機有以下優點：
（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩定性、防護性；
（2）高壓變頻器能夠對2臺電機的同軸同步軟啟動，軟停止功能。起動、停止能按所設定的皮帶特性曲線運行。在運行過程中能夠自動地實現轉差調節和功率平衡調節；
（3） 變頻器的輸出力矩不小于電動機額定力矩，可使電機能輸出超過額定起動輸出轉矩。滿足負載變化大的承受能力和煤炭壓帶時的再起動的能力；
（4）滿足煤礦電控系統的功能接口和監控要求；
（5）皮帶運輸機在煤量不大和在安裝皮帶的情況下要求降速運行，不需要滿負荷運行。利用高壓變頻器根據實際情況對電機進行調速，既符合工藝要求，又達到節能降耗目的；
（6）變頻器啟動過程平穩，無沖擊，體積小，好搬運；
（7）調速系統分開，單臺電機單獨控制；
（8）電機滿載時，變頻調速系統效率≧96％；
（9）變頻器輸入側功率因數≧95％（大于20%負載時）；
（10）變頻器輸入諧波小于4%；
（11）變頻器自保護功能：過電流限制，過電壓限制，過負荷預警，過電流跳閘，功率單元故障跳閘，過負荷跳閘，接地故障跳閘，過熱跳閘等；
（12）變頻器數據顯示：輸出頻率，電機轉速，輸入輸出電流，輸入輸出電壓，電機輸出功率，運行時間，故障查詢，變頻器溫度等；
（13）電機在啟動和調節過程中，轉速平穩變化，電流沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低了日常的維護保養費用。
五、結束語
北京利德華福高壓變頻調速技術在泰山隆安皮帶機的實踐應用表明電機在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護保養費用，取得了較好的運行效果，提高了煤礦生產的自動化生產水平。由此可見，高壓變頻調速技術在煤礦皮帶機使用對其它皮帶機設備進行變頻改造起到了示范作用。
參考文獻
1. 高壓大功率變頻器技術原理與應用 倚鵬 主編 人民郵電出版社，2008.2第一版
2. 北京利德華福高壓變頻調速調速系統產品手冊 北京利德華福電氣技術有限公司
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