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    摘要：介紹山西泰山隆安煤礦主井皮帶機(jī)采用自動控制平臺實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)及其調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出高壓變頻調(diào)速在皮帶機(jī)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以及實(shí)際運(yùn)行效果。

   關(guān)鍵詞：高壓變頻器 皮帶機(jī) 煤礦 

   一、前言

   山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司設(shè)計(jì)為年產(chǎn)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(zhèn)北部。礦區(qū)面積為20.3196平方公里，礦井生產(chǎn)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(fēng)系統(tǒng)，主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)斜井回風(fēng)；礦井通風(fēng)方式為機(jī)械抽出式，最終產(chǎn)品為精煤、煤泥和矸石。

   泰山隆安煤礦主斜井兼顧運(yùn)煤和進(jìn)風(fēng)作用，凈斷面為12.17平方米，主井皮帶設(shè)計(jì)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(jī)拖動，實(shí)現(xiàn)煤礦運(yùn)輸?shù)降孛娴墓ぷ魅蝿?wù)。皮帶機(jī)配合自動控制系統(tǒng)及信號系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主井皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

   二、 皮帶機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)  

   1.1 皮帶機(jī)簡介

   皮帶機(jī)是皮帶輸送機(jī)的簡稱，皮帶機(jī)運(yùn)用輸送帶的連續(xù)或間歇運(yùn)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(jī)可以將物料在一定的輸送線上，從最初的供料點(diǎn)到最終的卸料點(diǎn)間形成一種物料的輸送流程。在工業(yè)生產(chǎn)中，皮帶輸送機(jī)可用作生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備之間構(gòu)成連續(xù)生產(chǎn)的紐帶，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的連續(xù)性和自動化，提高生產(chǎn)率和減輕勞動強(qiáng)度，具有輸送量大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、部件標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。所以帶式輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中。
  
                       
                             圖1.1 帶式輸送機(jī)的工作原理

   礦山的井下巷道、礦井地面運(yùn)輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠中，都廣泛應(yīng)用帶式輸送機(jī)。皮帶機(jī)設(shè)備特點(diǎn)：皮帶機(jī)輸送平穩(wěn)，物料與輸送帶沒有相對運(yùn)動，能夠避免對輸送物的損壞。噪音較小，適合于工作環(huán)境要求比較安靜的場合。結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)。能耗較小，使用成本低。
 
   1.2 皮帶機(jī)工作原理及變頻電機(jī)控制

   帶式輸送機(jī)由輸送帶、托輥、滾筒及驅(qū)動、制動、張緊、電控、保護(hù)、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(jī)、減速器、逆止器、抱閘系統(tǒng)、張緊裝置、導(dǎo)向輪、電控臺、皮帶保護(hù)。
皮帶機(jī)工作原理圖如下：

                  
                             圖1.2帶式輸送機(jī)實(shí)圖

   皮帶輸送機(jī)的主要參數(shù)：一般根據(jù)物料搬運(yùn)系統(tǒng)的要求、物料裝卸地點(diǎn)的各種條件、有關(guān)的生產(chǎn)工藝過程和物料的特性等來確定各主要參數(shù)。

   皮帶機(jī)的動力來源于電機(jī)轉(zhuǎn)動，兩臺高壓異步電機(jī)通過減速機(jī)拖動滾筒轉(zhuǎn)動，皮帶緊密纏繞滾筒，皮帶與其之間摩擦力保證皮帶前進(jìn)以輸送物品。大部分煤礦主井皮帶機(jī)使用兩臺高壓電機(jī)拖動皮帶運(yùn)行，兩臺電機(jī)型號與參數(shù)一致，協(xié)調(diào)運(yùn)行以保證正常生產(chǎn)，同時兩臺電機(jī)也可以單獨(dú)運(yùn)行。在設(shè)備出現(xiàn)一臺故障的時候或者生產(chǎn)任務(wù)少的時候，單臺運(yùn)行也可以保證生產(chǎn)的繼續(xù)。

   煤礦主井皮帶機(jī)控制系統(tǒng)包括：顯示系統(tǒng)、人機(jī)操作系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)可以保障現(xiàn)場技術(shù)人員清楚地了解皮帶系統(tǒng)各個機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況及監(jiān)視運(yùn)行設(shè)備和保護(hù)設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)；人機(jī)操作系統(tǒng)，可以方便技術(shù)人員安全、正確的操作皮帶系統(tǒng)的各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以完成安全輸送煤炭的任務(wù)；安全保護(hù)系統(tǒng)可以監(jiān)測皮帶系統(tǒng)各個部分的運(yùn)行狀態(tài)，檢測各種保護(hù)數(shù)據(jù)，完成皮帶系統(tǒng)的保護(hù)工作，保證皮帶及人員的安全、穩(wěn)定、正確運(yùn)行，主要包括溫度保護(hù)、煙霧保護(hù)、（超溫）自動灑水裝置（保護(hù)）、防滑保護(hù)、堆煤保護(hù)、防跑偏裝置（保護(hù)）等；信號處理系統(tǒng)可以保證顯示系統(tǒng)、人機(jī)操作系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)之間的通訊、連接工作。現(xiàn)場使用控制系統(tǒng)見下圖：圖1.3。
  
                 
                                圖1.3 皮帶機(jī)控制系統(tǒng)

   控制系統(tǒng)通過信號采集裝置或者通訊裝置，將現(xiàn)場采集的各種信號（數(shù)字量信號和模擬量信號），輸入到控制系統(tǒng)的PLC和安全保護(hù)裝置，進(jìn)行綜合采集和計(jì)算。控制系統(tǒng)可以監(jiān)視和控制與皮帶系統(tǒng)相關(guān)的所有機(jī)械及電氣機(jī)構(gòu)（包括高壓變頻器），實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的自動化控制。

   控制系統(tǒng)、接收各種信號并進(jìn)行分析，如果符合緊急停機(jī)要求，控制系統(tǒng)會在很短的時間進(jìn)行安全保護(hù)動作，自動保障現(xiàn)場人員及設(shè)備的安全；完成現(xiàn)場皮帶運(yùn)輸設(shè)備數(shù)據(jù)時刻顯示和記錄，并可以傳輸?shù)缴霞壒芾聿块T，實(shí)現(xiàn)工廠自動化生產(chǎn)的需要。

    現(xiàn)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(jiān)控皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的各個機(jī)構(gòu)，在短時間內(nèi)精確了解設(shè)備的工作情況；可以方便的進(jìn)行皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的啟動、停止、操控等操作。

    電機(jī)作為皮帶系統(tǒng)的動力來源，是皮帶運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵設(shè)備，電機(jī)需要有良好的運(yùn)動性能，包括：良好的啟動停止；平穩(wěn)的運(yùn)行；持久的工作壽命；簡單方便的日常維護(hù)等。傳統(tǒng)電動機(jī)的調(diào)速一般有兩種方式，變極調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。變極調(diào)速是有級調(diào)速，調(diào)速范圍窄，啟動力距小，啟動電流大。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)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(diào)速系統(tǒng)除了擁有高的調(diào)速性能之外，還具有高的效率和節(jié)能效果。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速特點(diǎn)：有較高的起動轉(zhuǎn)矩、低速時的特性非常軟。換擋時對機(jī)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(diào)速方式：控制變頻器輸出頻率調(diào)速特點(diǎn)：有高的起動轉(zhuǎn)矩、輸出特性好。無級調(diào)速、能精確定位。能提供反力矩、效率高，能耗低。現(xiàn)場使用電機(jī)如下圖：圖1.4 
  
                 
                            圖1.4 皮帶機(jī)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

    三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì) 

   3.1 高壓變頻器系統(tǒng)原理

   根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，高壓電機(jī)的負(fù)載設(shè)備在生產(chǎn)過程中必須進(jìn)行調(diào)速。調(diào)速方式有中間環(huán)節(jié)調(diào)速和高壓電機(jī)本身調(diào)速之分。按照電機(jī)學(xué)的基本原理，已知交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： n=(1-s)60f/p式中： s-滑差； p-電機(jī)極對數(shù)； f -電機(jī)供電頻率。由上述公式可以看出，只要改變滑差s、或者電機(jī)極對數(shù)p、或者電機(jī)運(yùn)行頻率f，都可以達(dá)到調(diào)整電機(jī)本身速度的目的。

   HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，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(xiàn)場應(yīng)用還輔以旁路柜、開關(guān)柜等。變頻器輸入側(cè)采用多重化移相變壓器實(shí)現(xiàn)隔離和諧波抵消。無須功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置，多脈沖整流技術(shù)的應(yīng)用使得變頻器電網(wǎng)側(cè)諧波可滿足IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。變頻器輸出采用多個功率單元移相式PWM波形輸出串聯(lián)疊加，得到多電平高壓，實(shí)現(xiàn)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(jī)的絕緣、軸承造成損害，可直接驅(qū)動普通鼠籠式、繞線式異步電機(jī)和同步電機(jī)。
 
                 
                                  圖2.1. 10kV變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    圖2.1是變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，DSP控制器、新型一體化計(jì)算機(jī)和PLC一起構(gòu)成變頻器的控制和信號處理系統(tǒng)。此三者相互分工和協(xié)調(diào)，使變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

   由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計(jì)算機(jī)，在秉承HARSVERT-A系列產(chǎn)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(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上，HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)品的性能指標(biāo)為：調(diào)速范圍100:1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩，基本達(dá)到國際先進(jìn)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(diào)速系統(tǒng)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(huán)矢量控制
（4） 電機(jī)參數(shù)自動整定
（5） 高壓掉電恢復(fù)自動重啟
（6） 旋轉(zhuǎn)啟動

   3.3 皮帶機(jī)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
               
                                圖2.3 皮帶機(jī)雙電機(jī)系統(tǒng)

   圖2.3為山西泰山隆安煤礦現(xiàn)運(yùn)行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，皮帶機(jī)由兩臺電機(jī)拖動，由于目前煤層開采深度小，皮帶長度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)最大。

   皮帶機(jī)多機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是皮帶系統(tǒng)中各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)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(jī)運(yùn)行，將各個電機(jī)定子繞組直接并聯(lián)在一臺變頻器輸出側(cè)。“一拖二”方案中，變頻器無法對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制，因此各電機(jī)的出力由電機(jī)的參數(shù)和皮帶參數(shù)決定；其中，影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異和拖動滾筒及皮帶的包絡(luò)角差異；正常情況下，包絡(luò)角的大小只存在設(shè)計(jì)上及加工上的差異，但是當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)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(zhuǎn)到拖到滾筒上，就會使拖動滾筒直徑變大；誤差越大，系統(tǒng)中電機(jī)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(jī)的功率；二是需要用戶經(jīng)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(hù)每一臺電機(jī)。2.“雙機(jī)聯(lián)動”方案此方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機(jī)，將各個電機(jī)定子繞組直接分別接在兩臺變頻器輸出側(cè)。雙機(jī)聯(lián)動同步運(yùn)行變頻系統(tǒng)是由完全獨(dú)立的兩臺變頻器通過主、從機(jī)的同步通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速、以及功率平衡的。兩臺電機(jī)中任意一臺都可作為主機(jī)，另一臺為從機(jī)。雙機(jī)拖動方案中，變頻器對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都能獨(dú)立控制，主從變頻器通訊采用光纖通訊，抗干擾能力強(qiáng)，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(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)速及功率一致。

   主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，從機(jī)采用跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)矩和跟隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式。兩臺高壓變頻器分別獨(dú)立拖動兩臺高壓電機(jī)，兩臺變頻器之間有通訊電纜，實(shí)現(xiàn)兩臺電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，變頻器主回路電路圖如下圖2.4.
 
                 
                                     圖2.4 變頻系統(tǒng)主回路示意圖

   四、皮帶機(jī)采用變頻調(diào)速的使用效果

   與傳統(tǒng)的調(diào)速方式相比，高壓變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行交流控制有許多優(yōu)勢，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動，可以對電動機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動，可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，可以用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。

   主井皮帶機(jī)是全礦的流程中樞，一旦皮帶機(jī)不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，使用高壓變頻器的皮帶機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：

   （1）高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護(hù)性；

   （2）高壓變頻器能夠?qū)?臺電機(jī)的同軸同步軟啟動，軟停止功能。起動、停止能按所設(shè)定的皮帶特性曲線運(yùn)行。在運(yùn)行過程中能夠自動地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)和功率平衡調(diào)節(jié)；

   （3） 變頻器的輸出力矩不小于電動機(jī)額定力矩，可使電機(jī)能輸出超過額定起動輸出轉(zhuǎn)矩。滿足負(fù)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(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求；

   （5）皮帶運(yùn)輸機(jī)在煤量不大和在安裝皮帶的情況下要求降速運(yùn)行，不需要滿負(fù)荷運(yùn)行。利用高壓變頻器根據(jù)實(shí)際情況對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，既符合工藝要求，又達(dá)到節(jié)能降耗目的；

   （6）變頻器啟動過程平穩(wěn)，無沖擊，體積小，好搬運(yùn)；

   （7）調(diào)速系統(tǒng)分開，單臺電機(jī)單獨(dú)控制；

   （8）電機(jī)滿載時，變頻調(diào)速系統(tǒng)效率≧96％；

   （9）變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)≧95％（大于20%負(fù)載時）；

   （10）變頻器輸入諧波小于4%；

   （11）變頻器自保護(hù)功能：過電流限制，過電壓限制，過負(fù)荷預(yù)警，過電流跳閘，功率單元故障跳閘，過負(fù)荷跳閘，接地故障跳閘，過熱跳閘等； 

   （12）變頻器數(shù)據(jù)顯示：輸出頻率，電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入輸出電流，輸入輸出電壓，電機(jī)輸出功率，運(yùn)行時間，故障查詢，變頻器溫度等；

   （13）電機(jī)在啟動和調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，電流沒有任何沖擊，消除了大啟動電流對電機(jī)、傳動系統(tǒng)和主機(jī)的沖擊應(yīng)力，大大降低了日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

   五、結(jié)束語

   北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在泰山隆安皮帶機(jī)的實(shí)踐應(yīng)用表明電機(jī)在配備高壓變頻器后大大降低了日常的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，取得了較好的運(yùn)行效果，提高了煤礦生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)水平。由此可見，高壓變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦皮帶機(jī)使用對其它皮帶機(jī)設(shè)備進(jìn)行變頻改造起到了示范作用。

   參考文獻(xiàn)

1. 高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)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(diào)速調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品手冊 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司