北京利德華福電氣技術(shù)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(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,提出高壓變頻調(diào)速在皮帶機應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)點,以及實際運行效果。
關(guān)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(yè)有限公司設(shè)計為年產(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、副斜井進風(fēng),回風(fēng)斜井回風(fēng);礦井通風(fēng)方式為機械抽出式,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煤和進風(fēng)作用,凈斷面為12.17平方米,主井皮帶設(shè)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(xiàn)煤礦運輸?shù)降孛娴墓ぷ魅蝿?wù)。皮帶機配合自動控制系統(tǒng)及信號系統(tǒng),實現(xiàn)主井皮帶運輸系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、安全運行。
二、 皮帶機采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的理論依據(jù)
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(xù)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(yè)生產(chǎn)中,皮帶輸送機可用作生產(chǎn)機械設(shè)備之間構(gòu)成連續(xù)生產(chǎn)的紐帶,以實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的連續(xù)性和自動化,提高生產(chǎn)率和減輕勞動強度,具有輸送量大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、部件標準化等優(yōu)點。所以帶式輸送機廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化的各種工業(yè)企業(yè)中。
礦山的井下巷道、礦井地面運輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠中,都廣泛應(yīng)用帶式輸送機。皮帶機設(shè)備特點:皮帶機輸送平穩(wěn),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(huán)境要求比較安靜的場合。結(jié)構(gòu)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(qū)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(tǒng)、張緊裝置、導(dǎo)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(shù):一般根據(jù)物料搬運系統(tǒng)的要求、物料裝卸地點的各種條件、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)。
皮帶機的動力來源于電機轉(zhuǎn)動,兩臺高壓異步電機通過減速機拖動滾筒轉(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(shù)一致,協(xié)調(diào)運行以保證正常生產(chǎn),同時兩臺電機也可以單獨運行。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,單臺運行也可以保證生產(chǎn)的繼續(xù)。
煤礦主井皮帶機控制系統(tǒng)包括:顯示系統(tǒng)、人機操作系統(tǒng)、安全保護系統(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)各個機構(gòu)的運行情況及監(jiān)視運行設(shè)備和保護設(shè)備的實時數(shù)據(jù);人機操作系統(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)行機構(gòu),以完成安全輸送煤炭的任務(wù);安全保護系統(tǒng)可以監(jiān)測皮帶系統(tǒng)各個部分的運行狀態(tài),檢測各種保護數(shù)據(jù),完成皮帶系統(tǒng)的保護工作,保證皮帶及人員的安全、穩(wěn)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(tǒng)可以保證顯示系統(tǒng)、人機操作系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,完成系統(tǒng)之間的通訊、連接工作,F(xiàn)場使用控制系統(tǒng)見下圖:圖1.3。
圖1.3 皮帶機控制系統(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和安全保護裝置,進行綜合采集和計算?刂葡到y(tǒng)可以監(jiān)視和控制與皮帶系統(tǒng)相關(guān)的所有機械及電氣機構(gòu)(包括高壓變頻器),實現(xiàn)皮帶運輸系統(tǒng)的自動化控制。
控制系統(tǒng)、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(tǒng)會在很短的時間進行安全保護動作,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)控皮帶運輸系統(tǒng)的各個機構(gòu),在短時間內(nèi)精確了解設(shè)備的工作情況;可以方便的進行皮帶運輸系統(tǒng)的啟動、停止、操控等操作。
電機作為皮帶系統(tǒng)的動力來源,是皮帶運輸過程中的關(guān)鍵設(shè)備,電機需要有良好的運動性能,包括:良好的啟動停止;平穩(wěn)的運行;持久的工作壽命;簡單方便的日常維護等。傳統(tǒng)電動機的調(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:有較高的起動轉(zhuǎn)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(diào)速方式:控制變頻器輸出頻率調(diào)速特點: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,F(xiàn)場使用電機如下圖:圖1.4
圖1.4 皮帶機電機驅(qū)動系統(tǒng)
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的裝置設(shè)計
3.1 高壓變頻器系統(tǒng)原理
根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,高壓電機的負載設(shè)備在生產(chǎn)過程中必須進行調(diào)速。調(diào)速方式有中間環(huán)節(jié)調(diào)速和高壓電機本身調(diào)速之分。按照電機學(xué)的基本原理,已知交流異步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為: n=(1-s)60f/p式中: s-滑差; p-電機極對數(shù); 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(shù)p、或者電機運行頻率f,都可以達到調(diào)整電機本身速度的目的。
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現(xiàn)隔離和諧波抵消。無須功率因數(shù)補償、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(lián)疊加,得到多電平高壓,實現(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、繞線式異步電機和同步電機。
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、新型一體化計算機和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
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(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(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 皮帶機變頻系統(tǒng)設(shè)計
圖2.3 皮帶機雙電機系統(tǒng)
圖2.3為山西泰山隆安煤礦現(xiàn)運行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)計最大。
皮帶機多機變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是皮帶系統(tǒng)中各電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題。在實際應(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運行,將各個電機定子繞組直接并聯(lián)在一臺變頻器輸出側(cè)。“一拖二”方案中,變頻器無法對電機的轉(zhuǎn)矩進行獨立的控制,因此各電機的出力由電機的參數(shù)和皮帶參數(shù)決定;其中,影響電機功率平衡的主要因素是電機的參數(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)計上及加工上的差異,但是當系統(tǒng)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(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(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每一臺電機。2.“雙機聯(lián)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(cè)。雙機聯(lián)動同步運行變頻系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)速及功率一致。
主機采用轉(zhuǎn)速控制方式,從機采用跟隨主機轉(zhuǎn)矩和跟隨主機轉(zhuǎn)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(xiàn)兩臺電機的協(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進行交流控制有許多優(yōu)勢,如節(jié)能,容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制,可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制,容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換,可以進行高頻度的起停運轉(zhuǎn),可以進行電氣制動,可以對電動機進行高速驅(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進行調(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(chǎn),且會造成巨大經(jīng)濟損失。經(jīng)實際運行發(fā)現(xiàn),使用高壓變頻器的皮帶機有以下優(yōu)點:
。1)高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護性;
(2)高壓變頻器能夠?qū)?臺電機的同軸同步軟啟動,軟停止功能。起動、停止能按所設(shè)定的皮帶特性曲線運行。在運行過程中能夠自動地實現(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額定力矩,可使電機能輸出超過額定起動輸出轉(zhuǎn)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(tǒng)的功能接口和監(jiān)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(jù)實際情況對電機進行調(diào)速,既符合工藝要求,又達到節(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;
。7)調(diào)速系統(tǒng)分開,單臺電機單獨控制;
。8)電機滿載時,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(yù)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(shù)據(jù)顯示:輸出頻率,電機轉(zhuǎn)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(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、傳動系統(tǒng)和主機的沖擊應(yīng)力,大大降低了日常的維護保養(yǎng)費用。
五、結(jié)束語
北京利德華福高壓變頻調(diào)速技術(shù)在泰山隆安皮帶機的實踐應(yīng)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(yǎng)費用,取得了較好的運行效果,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)在煤礦皮帶機使用對其它皮帶機設(shè)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(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
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