北京利德華福電氣技術(shù)有限公司  劉福濤

　　摘要：采用高壓變頻器拖動帶式輸送機(jī)，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(jī)應(yīng)用的比較、變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合山西天地王坡煤業(yè)有限公司的皮帶改造現(xiàn)場，介紹皮帶機(jī)系統(tǒng)變頻改造相關(guān)技術(shù)，以及高壓變頻器在皮帶機(jī)系統(tǒng)上的應(yīng)用情況。

　　關(guān)鍵詞：皮帶機(jī)、高壓變頻器、矢量控制、轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)、主從控制

　　一、 前言   

　　皮帶機(jī)在煤礦的使用非常普遍。皮帶機(jī)上的皮帶是一個(gè)彈性體，因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，大功率皮帶機(jī)必須加設(shè)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(jī)的軟啟動問題，但還是存在維護(hù)工作量大，能耗高，對皮帶強(qiáng)度要求高等弊端。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)液耦的位置。

　　二、用戶簡介

　　山西天地王坡煤業(yè)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(chǎn)管理處和煤炭科學(xué)研究總院共同出資組建的有限責(zé)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(nèi)，距晉城市區(qū)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(diǎn)工程項(xiàng)目之一，礦井年設(shè)計(jì)規(guī)模為150萬噸。如圖1所示：

圖1、天地王坡煤礦辦公樓

　　三、應(yīng)用現(xiàn)場皮帶機(jī)系統(tǒng)基本情況介紹

　　皮帶機(jī)廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、煤炭等部門，是煤礦的關(guān)鍵設(shè)備，它肩負(fù)著礦井上下輸送松散物料或成件物品的重任。根據(jù)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(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng)，以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要。

　　天地王坡煤礦的皮帶機(jī)，由兩臺電機(jī)拖動（2×1400kW），電機(jī)配置在機(jī)頭。如圖2所示：

　　                                            圖2雙機(jī)驅(qū)動示意圖

　　主要參數(shù)如下

　　皮帶機(jī)參數(shù)：

　　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(shù)m=7.34；功率P=1400×2kW；最大張力S=653570N

　　電機(jī)參數(shù)：

　　型號YB710S2-4；頻率范圍5-50HZ；功率1400kW；電壓6000V；電流159.5A；功率因數(shù)0.88

圖3  皮帶機(jī)改造現(xiàn)場

　　四、煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　首先簡要分析在拖動皮帶機(jī)配置上，傳統(tǒng)液耦的劣勢及高壓變頻器的優(yōu)勢。

　　傳統(tǒng)液耦存在的弊端如下：

　　1、采用液耦，電動機(jī)必須先空載啟動。工頻啟動時(shí)，最初的電流很大，為電動機(jī)額定電流的4～7倍。啟動瞬間電流會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電動機(jī)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生變化，對機(jī)械部分造成嚴(yán)重磨損甚至損壞。同時(shí)還將引起電網(wǎng)電壓的下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備的正常運(yùn)行，因此，大容量的皮帶機(jī)還必須附加電動機(jī)軟啟動設(shè)備。如：水電阻；

　　2、液耦長時(shí)間工作時(shí)會引起液體溫度升高，熔化金合塞，還會引起漏液，增大維護(hù)工作量，污染環(huán)境；

　　3、采用液耦時(shí)皮帶機(jī)的加載時(shí)間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強(qiáng)度要求較高；

　　4、一般的皮帶機(jī)都是長距離大運(yùn)量，通常都是多電機(jī)驅(qū)動，采用液耦驅(qū)動很難解決多電機(jī)驅(qū)動時(shí)的功率平衡問題。

　　采用高壓變頻器對皮帶機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的優(yōu)勢如下：

　　1、真正實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)軟啟動。通過電機(jī)慢速啟動帶動皮帶機(jī)緩慢啟動，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機(jī)啟停時(shí)產(chǎn)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(qiáng)。由于變頻器啟動時(shí)間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機(jī)啟動時(shí)間通常在60～200s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定。啟動時(shí)間延長大大降低對帶強(qiáng)的要求，減少設(shè)備初期投資。實(shí)際應(yīng)用中，由于降低了啟動沖擊，機(jī)械系統(tǒng)的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長；

　　3、實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)多電機(jī)驅(qū)動時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡。應(yīng)用變頻器對皮帶機(jī)驅(qū)動時(shí)可以采用一拖一控制，多電機(jī)驅(qū)動時(shí)采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡；

　　4、驗(yàn)帶功能。低速驗(yàn)帶功能是皮帶機(jī)檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)，在空載驗(yàn)帶狀態(tài)下可調(diào)整0～100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速；

　　5、平穩(wěn)的重載啟動。變頻器低頻運(yùn)轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動；

　　6、自動調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負(fù)載輕重自動調(diào)節(jié)膠帶速度，節(jié)電的同時(shí)還減少了膠帶的磨損；

　　7、節(jié)能。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時(shí)，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當(dāng)然皮帶機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)煤量也是不均勻的，在負(fù)載輕或無負(fù)載時(shí)，皮帶機(jī)系統(tǒng)的高速運(yùn)行對機(jī)械傳動系統(tǒng)的磨損浪費(fèi)較為嚴(yán)重，同時(shí)電能消耗也較低速運(yùn)行大的多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機(jī)系統(tǒng)又不能隨時(shí)停車，采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)對前級運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷、本機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)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(jī)系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。

　　其次介紹一下皮帶機(jī)采用變頻系統(tǒng)控制，可以選擇的不同控制方案。

　　皮帶機(jī)由多臺電機(jī)拖動時(shí)，由于各電機(jī)輸出是通過皮帶耦合在一起的，因此需要考慮協(xié)調(diào)控制問題。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，對于滑差0.01的電機(jī)，變頻器輸出頻率相差0.2%時(shí)，將會導(dǎo)致約20%的輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，在輕載時(shí)，變頻器少量的輸出頻率差別，還會導(dǎo)致輸出頻率較低的變頻器進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)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(jī)出力。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場配置和要求不同，可選擇如下3種驅(qū)動方案：

　　1、對于功率較�。ㄒ话銌螜C(jī)額定電流在50A以下），電機(jī)數(shù)量較少（一般不超過3臺），低成本應(yīng)用場合，可以選擇一拖多并聯(lián)運(yùn)行方案；

　　2、對于需要主動進(jìn)行各電機(jī)出力均衡控制的場合，如果電機(jī)數(shù)量較少，距離較近，系統(tǒng)構(gòu)成較簡單，可采用主-從控制方案；

　　3、如果電機(jī)數(shù)量較多，或者相距較遠(yuǎn)、系統(tǒng)較復(fù)雜，可采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制方案。

　　一拖多運(yùn)行方式。多臺電機(jī)由一臺變頻器拖動，可以保證多臺的轉(zhuǎn)速相同，電機(jī)根據(jù)其滑差特性分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩，需要各電機(jī)參數(shù)較為一致。此種方式下，由于電機(jī)直接并聯(lián)運(yùn)行，因此變頻器無法控制各電機(jī)的出力平衡，各電機(jī)出力的平衡性由電機(jī)特性差異、滾筒直徑差異、皮帶包絡(luò)角差異等因素決定。該方案系統(tǒng)成本最低，但變頻器故障將導(dǎo)致皮帶系統(tǒng)無法運(yùn)行，因而不太適用于考慮電機(jī)冗余配置的場合。以雙機(jī)運(yùn)行為例的主回路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，圖中工頻旁路為可選配置。           

　　                                           圖4一拖二并聯(lián)運(yùn)行方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　對于需要進(jìn)行各電機(jī)出力均衡主動控制的場合，如果電機(jī)數(shù)量較少（一般不超過6臺），各電機(jī)距離較近（一般不超過50米），系統(tǒng)構(gòu)成較簡單，可以采用多機(jī)主-從一拖一控制運(yùn)行方案。此種方式支持N+1冗余系統(tǒng)配置，即任意1臺變頻器或者電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，不破壞主-從控制架構(gòu)，在皮帶系統(tǒng)允許的情況下，可以依靠剩余的變頻器和電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動皮帶運(yùn)行。每臺電機(jī)由一臺變頻器拖動，運(yùn)行在矢量控制方式下。其中一臺變頻器作為主機(jī)，接收來自用戶上位控制系統(tǒng)的信號，負(fù)責(zé)皮帶系統(tǒng)的速度控制和整體邏輯控制；其余的變頻器作為從機(jī)，接收來自主變頻器的轉(zhuǎn)矩給定信號和邏輯控制信號，并向主變頻器報(bào)告自身的狀態(tài)。由于各變頻器執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)矩給定信號，因此各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相同。 該方案的特點(diǎn)是，系統(tǒng)配置簡單、可靠，能夠滿足N+1的電機(jī)配置要求，能夠完成主動的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制，使各電機(jī)出力相同。此系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示：

　　                                             圖5主從一拖一控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　對于需要進(jìn)行各電機(jī)出力均衡主動控制的場合，如果電機(jī)數(shù)量較多，或者各電機(jī)距離較遠(yuǎn)，系統(tǒng)構(gòu)成較復(fù)雜，或者需要N+2以上的冗余配置，可以采用多機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制運(yùn)行方案。此種方式下，每臺電機(jī)由一臺變頻器拖動，運(yùn)行在矢量控制方式下。專設(shè)一臺協(xié)調(diào)控制柜，協(xié)調(diào)控制柜接收來自上位控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速給定信號和起停邏輯信號，以及來自現(xiàn)場的轉(zhuǎn)速反饋信號，負(fù)責(zé)皮帶系統(tǒng)的速度控制和整體邏輯控制。各變頻器均作為從機(jī)，接收來自協(xié)調(diào)控制柜的轉(zhuǎn)矩給定信號和邏輯控制信號，并向協(xié)調(diào)控制柜報(bào)告自身的狀態(tài)。因?yàn)楦髯冾l器執(zhí)行相同的轉(zhuǎn)矩給定信號，故各電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相同，由于各變頻器地位相同，因此能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。該方案的特點(diǎn)是控制策略靈活，能夠滿足用戶現(xiàn)場各種實(shí)際需求，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。此系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示：        

　　                                        圖6協(xié)調(diào)柜控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　五、 現(xiàn)場高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)及采用的控制方案介紹

　　現(xiàn)場采用兩套北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-VA06/180系列矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，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(xiàn)場安裝情況

　　該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足用戶對于礦用負(fù)載調(diào)速節(jié)能、改善生產(chǎn)工藝的迫切需要；為了最大限度的縮短高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝和改造的施工周期，系統(tǒng)采用了一體化設(shè)計(jì)的理念，包括變壓器柜、功率柜、控制柜等所有部件及內(nèi)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(jìn)的生產(chǎn)和管理環(huán)境中，整套系統(tǒng)在出廠前已進(jìn)行整體測試，確保每一臺出廠設(shè)備的質(zhì)量和性能。

　　為了適用改造項(xiàng)目的需要和降低新建項(xiàng)目的投入，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的每一個(gè)功能部件可以分步進(jìn)行安裝，確保了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不會在運(yùn)輸和安裝過程中出現(xiàn)意外，方便的前后維護(hù)方式、靈活多樣的散熱方式、高性能的重要進(jìn)口元器件、先進(jìn)的生產(chǎn)工藝大大的降低了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)對現(xiàn)場環(huán)境的要求。

　　其主回路如圖8所示（圖中n代表級數(shù)）：

　　                                               圖8系統(tǒng)原理圖

　　HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)示意圖

　　對于兩機(jī)驅(qū)動的皮帶機(jī)變頻控制，為了有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的負(fù)載平衡控制，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)適宜采用主-從方式進(jìn)行控制。一臺變頻器作為主控，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制另一臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步運(yùn)行。各高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)僅對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，從控電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不可控量，由物理系統(tǒng)的實(shí)際特性決定運(yùn)行兩臺電機(jī)的速度匹配。如圖10所示，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制1#電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并給出兩臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩給定值，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)收到的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩給定值控制2#電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。     

圖10主-從控制結(jié)構(gòu)負(fù)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(shù)，對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度控制在0.5％以內(nèi)，如果需要電機(jī)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(nèi)。

　　主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)均有外部信號連鎖控制和狀態(tài)、報(bào)警邏輯信號輸出，主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收本地或者遠(yuǎn)程的“啟動”、“停機(jī)”和“緊急停機(jī)”指令，以及來自從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“緊急停機(jī)”指令，從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)接收來自主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的“啟動”和“緊急停機(jī)”指令，同時(shí)接收從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)本地或者遠(yuǎn)程聯(lián)動的“緊急停機(jī)”指令。

　　在兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的PLC邏輯程序中進(jìn)行邏輯互鎖，使得兩臺高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同時(shí)啟動，同時(shí)停機(jī)。如圖11所示：                      

　　                                               圖11主-從一拖一控制反饋信號示意圖

　　六、總結(jié)

　　皮帶機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)采用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字交流高壓變頻器，不但提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)的綜合可靠性，降低了能耗，而且達(dá)到了現(xiàn)場安裝方便、運(yùn)行性能安全良好的效果。實(shí)踐證明，利用技術(shù)先進(jìn)、成熟安全的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以全面實(shí)現(xiàn)高效調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況，提高系統(tǒng)自動化程度，節(jié)約電能的目的。使用高壓變頻器可以大大降低現(xiàn)場維護(hù)量，帶來可觀的效益，切實(shí)響應(yīng)國家節(jié)能降耗的號召，值得大力推廣。