變頻技術(shù)在礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

王繼玲

(山西大同同煤集團(tuán)煤峪口礦)

變頻技術(shù)在礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

王繼玲

(山西大同同煤集團(tuán)煤峪口礦)

某煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)原驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用液力耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)，存在著軟啟動(dòng)設(shè)備水電阻易污染環(huán)境、皮帶承受張力大、多電機(jī)轉(zhuǎn)矩難以平衡的問題。通過分析變頻器的調(diào)速原理，將變頻技術(shù)應(yīng)用于皮帶運(yùn)輸機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。通過采用主-從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平衡，并減少了電能消耗，延長了皮帶的使用壽命，提高了經(jīng)濟(jì)效益。變頻技術(shù)在該礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，可為類似調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造提供借鑒。

變頻技術(shù) 皮帶運(yùn)輸機(jī) 液力耦合器

變頻器的作用主要是改變交流電的電壓和頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)相關(guān)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行速度，目前在煤礦領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-3]。皮帶運(yùn)輸機(jī)作為煤礦井下煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，其安全高效運(yùn)行是煤礦礦井具有良好生產(chǎn)效益的重要前提。由于運(yùn)輸皮帶具有一定的彈性，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，皮帶機(jī)應(yīng)采取軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)。國內(nèi)煤礦目前多采用液力耦合器來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，但存在著能耗高、污染環(huán)境、多電機(jī)轉(zhuǎn)矩難以平衡等缺點(diǎn)[4-5]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻技術(shù)，能很好地避免這些問題，將逐步替代液力耦合器。以某煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)為例，進(jìn)行變頻技術(shù)代替液力耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)的研究。

1 某皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

某礦井下使用的皮帶運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，即由兩臺(tái)電機(jī)功率均為1 400 kW的電機(jī)拖動(dòng)。兩臺(tái)電機(jī)均安設(shè)在機(jī)頭處。雙機(jī)驅(qū)動(dòng)示意見圖1，皮帶機(jī)參數(shù)見表1，電機(jī)參數(shù)見表2。

圖1 皮帶機(jī)雙機(jī)驅(qū)動(dòng)示意

該皮帶運(yùn)輸機(jī)原采用液壓耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)期間皮帶多次損壞，增加了檢修工作量，用電成本較大，制約著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

表1 皮帶機(jī)參數(shù)表

表2 電機(jī)參數(shù)表

2 液力耦合器的不足

(1)增加空載啟動(dòng)環(huán)節(jié)。采用液壓耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)，首先應(yīng)進(jìn)行空載啟動(dòng)。原因是啟動(dòng)頻率為工作頻率時(shí)，啟動(dòng)時(shí)一般會(huì)存在超過4倍的電機(jī)額定電流的較大電流，產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊使得電機(jī)中的機(jī)械應(yīng)力等瞬間增大，容易造成內(nèi)部機(jī)件的嚴(yán)重?fù)p壞。另外，空載啟動(dòng)還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較為嚴(yán)重的影響，如電壓下降，會(huì)影響其他機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為避免上述不利情況的出現(xiàn)，需在皮帶運(yùn)輸機(jī)上額外安裝軟啟動(dòng)設(shè)備，如常用的水電阻。

(2)水電阻易產(chǎn)生環(huán)境污染。若液壓耦合器工作時(shí)間過長，水電阻液體溫度不斷升高。若達(dá)到一定溫度限值，就會(huì)造成合金塞熔化，進(jìn)而引發(fā)漏液。既污染了環(huán)境，又增加了維護(hù)工作量。

(3)皮帶強(qiáng)度要求高。采用液壓耦合器進(jìn)行軟啟動(dòng)，要求皮帶運(yùn)輸機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)完成加載工作，使皮帶承受很大的張力。因此，必須增加皮帶的強(qiáng)度，以避免皮帶出現(xiàn)斷裂等問題。

(4)無法有效解決多電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不平衡問題。煤礦井下所采用的皮帶運(yùn)輸機(jī)皮帶長度較大，承擔(dān)的運(yùn)輸工作量大，皮帶運(yùn)輸機(jī)往往采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式存在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不平衡問題，但液壓耦合器無法有效解決。

3 變頻器的工作原理與優(yōu)勢

3.1 變頻器的工作原理

首先，變頻器將最初的三相或單相交流電轉(zhuǎn)換為直流電；其次，變頻器將第一步轉(zhuǎn)換的直流電再轉(zhuǎn)換為交流電。此時(shí)交流電為三相或單相，但其電壓和頻率不同于最初的交流電，在電機(jī)運(yùn)行曲線上表現(xiàn)為原交流電曲線平行下移。表明電機(jī)只需較小的啟動(dòng)電流就能獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使電機(jī)能以較小的電流啟動(dòng)重載負(fù)荷[6-7]。變頻器接線與調(diào)速原理見圖2。

圖2 變頻器接線與調(diào)速原理

3.2 高壓變頻器的優(yōu)勢

(1)更好地實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的軟啟動(dòng)。皮帶機(jī)的緩慢啟動(dòng)是以電機(jī)緩慢啟動(dòng)為基礎(chǔ)的，電機(jī)還能有效釋放皮帶內(nèi)部貯存的能量，可大大降低輸送機(jī)啟動(dòng)與停止時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)而避免了膠帶的損壞[8]。

(2)能適當(dāng)降低皮帶強(qiáng)度。由于變頻器啟動(dòng)時(shí)間可以在1 h內(nèi)調(diào)整，皮帶運(yùn)輸機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況在3 min內(nèi)調(diào)節(jié)，因此可以適當(dāng)延長啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)皮帶的強(qiáng)度要求降低，進(jìn)而減少設(shè)備成本。同時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)沖擊力小，設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件損壞較小，有效延長了皮帶運(yùn)輸機(jī)各部件的壽命。

(3)采用變頻驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)輸機(jī)方式進(jìn)行一拖一控制，即采用主-從或其他控制方式，均能有效實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡問題。

(4)附帶驗(yàn)帶功能。變頻調(diào)速系統(tǒng)是通過無極調(diào)速的交流傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變速，在空載條件下，可在額定帶速內(nèi)調(diào)低帶速，使皮帶運(yùn)輸機(jī)具有低速驗(yàn)帶功能，便于檢修。

(5)重載啟動(dòng)平穩(wěn)。變頻驅(qū)動(dòng)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)條件下可輸出超過2倍的額定轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的重載啟動(dòng)。

(6)具有自動(dòng)調(diào)速功能。在煤流傳感器的作用下，變頻器可結(jié)合負(fù)載的大小情況對(duì)皮帶速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低了皮帶的磨損程度。

(7)節(jié)能降耗。皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤量隨煤炭開采量的變化而變化。采用液力耦合器軟啟動(dòng)時(shí)，皮帶運(yùn)行速度難以調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載較小甚至空載時(shí)，皮帶運(yùn)輸機(jī)仍高速運(yùn)行，消耗大量電能。且由于生產(chǎn)需要，皮帶運(yùn)輸機(jī)不能停止運(yùn)行。變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)可控制皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行速度，可實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行速度隨負(fù)載變化而變化，大大節(jié)約了能耗[9]。

3.3 變頻調(diào)速方案的確定

皮帶運(yùn)輸機(jī)采用多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)注意電機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制。由于各電機(jī)的動(dòng)力輸出是由皮帶耦合實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，若電機(jī)存在滑差，變頻器的輸出頻率就會(huì)出現(xiàn)偏差，從而引起輸出轉(zhuǎn)矩不平衡，甚至出現(xiàn)故障。因此要采取措施平衡各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

現(xiàn)場應(yīng)用中，目前主要有以下3種驅(qū)動(dòng)方案：

(1)一拖多并聯(lián)運(yùn)行方案。該方案的適用于電機(jī)(單機(jī))功率小、電機(jī)數(shù)量少于3臺(tái)、成本要求低的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

(2)主-從控制方案。該方案的適用于要求各電機(jī)轉(zhuǎn)矩均衡輸出、電機(jī)數(shù)量少于3臺(tái)、各電機(jī)間間距小的簡單變頻調(diào)速系統(tǒng)。

(3)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制方案。該方案適用于電機(jī)數(shù)量超過3臺(tái)、電機(jī)間間距較大的復(fù)雜變頻調(diào)速系統(tǒng)。

結(jié)合該煤礦現(xiàn)場實(shí)際及各方案適用條件，為有效控制負(fù)載平衡，該皮帶運(yùn)輸機(jī)確定采用主-從控制方案作為高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。其中一臺(tái)變頻器為主控，確定輸出轉(zhuǎn)矩，另一臺(tái)變頻器由主控變頻器控制，與其同步運(yùn)行。變頻調(diào)速系統(tǒng)只控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，不控制從控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主-從控制結(jié)構(gòu)負(fù)載平衡控制示意見圖3。

圖3 主-從控制結(jié)構(gòu)

圖3表明，1#電機(jī)轉(zhuǎn)速由主控高壓變頻器控制，兩臺(tái)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由主控高壓變頻器輸出。2#電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是由從控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制的。

為保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度，將其控制在0.5%以內(nèi)，變頻器一般采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)。若精度要求更高，如控制在0.1%以內(nèi)，則應(yīng)采用速度傳感器。

主-從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有兩種功能：①外部信號(hào)連鎖控制功能；②報(bào)警邏輯信號(hào)輸出功能。主控高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅能接收來自本地或遠(yuǎn)程的指令，還可接收從控系統(tǒng)發(fā)送的指令。同時(shí)，從控系統(tǒng)也具有類似主控系統(tǒng)的接收指令程序。

4 應(yīng)用效果

主-從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在該煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場工況對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，減少了電能消耗，降低了生產(chǎn)成本，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行。該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施使維護(hù)工作量大大降低，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，目前尚未出現(xiàn)安全問題。

5 結(jié) 論

某煤礦井下皮帶運(yùn)輸機(jī)采用變頻技術(shù)代替原液力耦合器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，并結(jié)合該礦實(shí)際和變頻調(diào)速方案的比選，最終選擇主-從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于井下皮帶運(yùn)輸機(jī)，解決了多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不平衡的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)行速度隨負(fù)載煤炭量的變化而實(shí)時(shí)變化，降低了電能消耗和維修工作量，有利于延長皮帶的使用壽命，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為同類皮帶運(yùn)輸機(jī)的技術(shù)改造提供了經(jīng)驗(yàn)參考。

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廣西礦山隱患排查整治率超90%

廣西壯族自治區(qū)國土資源廳日前通報(bào)了煤礦非煤礦山隱患排查整治情況。該自治區(qū)共檢查煤礦非煤礦山企業(yè)1 071家，排查出一般隱患272項(xiàng)，已整治267項(xiàng)，整治率為98.2%;排查出重大隱患12項(xiàng)，已整改11項(xiàng)，整改率為91.7%;打擊非法行為217起，整治違規(guī)違章行為112起;停產(chǎn)整頓31家，暫扣吊銷證照2家，關(guān)閉取締64家，處罰罰款183.84萬元。

2015年8月以來，廣西各級(jí)國土資源主管部門積極配合有關(guān)部門，以煤礦、金屬非金屬礦山等行業(yè)(領(lǐng)域)為重點(diǎn)，組織開展全面檢查，監(jiān)督企業(yè)、單位深入開展隱患自查自糾，落實(shí)安全隱患整治措施;同時(shí)，深入開展“六打六治”打非治違專項(xiàng)行動(dòng)，重點(diǎn)打擊取締無證勘查開采、以采代探、超越批準(zhǔn)礦區(qū)范圍采礦等違法違規(guī)行為。

針對(duì)零星盜采行為隱蔽性、流動(dòng)性強(qiáng)等問題，廣西各級(jí)國土資源主管部門將采取以下措施加強(qiáng)監(jiān)管。一是繼續(xù)深入開展安全生產(chǎn)大檢查深化“打非治違”工作。積極配合有關(guān)部門，加強(qiáng)礦山隱患排查，加大打擊違法采礦活動(dòng)力度，做到“發(fā)現(xiàn)一起，取締一起，查處一案，震懾一方，教育一片”。二是進(jìn)一步落實(shí)國土資源執(zhí)法監(jiān)管共同責(zé)任制度，積極構(gòu)建政府主導(dǎo)，部門密切配合的執(zhí)法監(jiān)管長效機(jī)制，形成執(zhí)法合力，破解“執(zhí)法難、難執(zhí)法、法難執(zhí)”的難題。三是采取多種形式，不斷擴(kuò)大國土資源法律法規(guī)宣傳普及面，切實(shí)提高廣大干部群眾珍惜和合理利用礦產(chǎn)資源的法治觀念，增強(qiáng)保護(hù)礦產(chǎn)資源的自覺性和責(zé)任感。

2015-09-23)

王繼玲(1974—)，女，工程師，037041 山西省大同市礦區(qū)煤峪口礦。