變頻技術(shù)在井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

成永剛

[摘 要]煤礦企業(yè)逐漸向大型化千萬(wàn)噸礦井發(fā)展，膠帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用，膠帶機(jī)控制系統(tǒng)是否優(yōu)越、可靠，從某種意義上說(shuō)，決定了一個(gè)煤礦的生產(chǎn)能力大小和自動(dòng)化程度的高低。該文就變頻技術(shù)在煤礦井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的分析。

[關(guān)鍵詞]變頻技術(shù) 井下膠帶運(yùn)輸系統(tǒng) 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）11-0262-01

隨著國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的加快，煤礦、電力、石油等能源需求量在不斷增加，尤其是煤礦大量應(yīng)用于發(fā)電等場(chǎng)合，越來(lái)越多的企業(yè)投入到煤礦開(kāi)采中，因而現(xiàn)階段煤炭資源已趨于飽和。為降低煤礦開(kāi)采的成本，減輕煤礦企業(yè)運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)，當(dāng)前煤礦企業(yè)多采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸，并引進(jìn)變頻技術(shù)改善其運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能。

1 井下變頻技術(shù)

制約變頻技術(shù)在煤礦井下廣泛應(yīng)用的主要原因是防爆和散熱之間的矛盾。作為變頻器的主要逆變模塊IGBT是發(fā)熱最多的器件，據(jù)專(zhuān)家計(jì)算：逆變模塊約占整個(gè)變頻器所有散熱量的70%；整流模塊發(fā)熱占整個(gè)變頻器的25%；剩余的其他5%發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量?jī)H為5%。目前，在散熱技術(shù)方面，開(kāi)始采用國(guó)外高效能熱管散熱技術(shù)，其極低熱阻的高效散熱性能，優(yōu)越的雙面散熱形式使主要散熱得到解決，最大散熱能力達(dá)到500kW/1140V變頻器的散熱需要。采用熱管直冷式散熱技術(shù)的隔爆變頻器便于移動(dòng)，導(dǎo)熱率達(dá)到95%以上。這樣對(duì)防爆體不需要外加通風(fēng)裝置或外接循環(huán)水，便解決了防爆與散熱之間的矛盾。為了適應(yīng)井下電網(wǎng)的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，采用特殊的中性點(diǎn)不接地吸收結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用正負(fù)母線(xiàn)密貼的低電感母線(xiàn)技術(shù)，增強(qiáng)直流側(cè)的吸收能力，抑制逆變器高速開(kāi)關(guān)形成的疊加電壓。

針對(duì)煤礦井下的特殊環(huán)境，變頻器除了在箱體結(jié)構(gòu)方面采取了相應(yīng)的防潮、防滴水措施外，在主回路方面加大了爬電距離與電氣間隙，在控制回路方面，所有的控制板均采取了特殊的防潮措施。變頻調(diào)速裝置采用元速度傳感器的矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向矢量控制。元速度傳感器的矢量控制的基本控制思路，是根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值與檢測(cè)值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。采用無(wú)速度傳感器矢量控制方式的變頻器不僅在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且還可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，以保證在低頻運(yùn)行時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩。

2 膠帶輸送機(jī)在煤礦中的性能要求

在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的多為鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機(jī)，其可進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，且具有承載和牽引雙功能，可簡(jiǎn)化煤礦的運(yùn)輸系統(tǒng)，并保證傳輸效率。然而鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其對(duì)牽引力、驅(qū)動(dòng)速度等方面有較高的要求，除滿(mǎn)足普通用帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、功率平衡、重載啟動(dòng)等技術(shù)要求外，對(duì)調(diào)速特性及負(fù)力制動(dòng)方面也有嚴(yán)格要求，因而其運(yùn)行可使用直流調(diào)速技術(shù)加以驅(qū)動(dòng)。然而在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)存在無(wú)法防爆等不足之處，因而當(dāng)前多利用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在膠帶輸送機(jī)的使用以改善上述問(wèn)題。

2.1 功率平衡性要求

因鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，其需使用多個(gè)交流變頻電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在驅(qū)動(dòng)滾筒與膠帶的摩擦力作用下實(shí)現(xiàn)整個(gè)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行。若是功率不平衡，則可能引起電機(jī)負(fù)荷出現(xiàn)分配不均勻情況，因而會(huì)加劇驅(qū)動(dòng)裝置的磨損程度，嚴(yán)重情況下可能會(huì)損壞電機(jī)，因此需嚴(yán)格控制膠帶輸送機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡問(wèn)題。

2.2 膠帶輸送機(jī)的無(wú)極調(diào)速要求

鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中主要承載長(zhǎng)距離運(yùn)煤及驗(yàn)繩等多種功能，在不同應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)輸送機(jī)中膠帶的運(yùn)行速度有著不同的要求，并能保證運(yùn)行速度的穩(wěn)定性，在進(jìn)行速度調(diào)整時(shí)能平滑調(diào)速。

2.3 軟啟動(dòng)及功率平衡重載啟動(dòng)的要求

在上述中提到，因膠帶輸送機(jī)中的膠帶是彈性材料，因而能進(jìn)行儲(chǔ)能，在膠帶輸送機(jī)工作啟動(dòng)時(shí)，在未具備軟啟動(dòng)功能的情況下，膠帶極有可能會(huì)因能量的釋放而發(fā)生滑動(dòng)，進(jìn)而影響其正常運(yùn)行；另外輸送機(jī)在使用時(shí)，不可避免會(huì)發(fā)生帶載停車(chē)現(xiàn)象，因而要求其具備重載啟動(dòng)的功能，以保障設(shè)備的正常工作。

2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能

帶式膠帶輸送機(jī)在正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與所帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡，然而當(dāng)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)的動(dòng)力矩突降為0，輸送機(jī)的減速加速度是比較大的，考慮到輸送機(jī)系統(tǒng)的慣性較大，減速?zèng)_擊對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備的破壞是比較大的，并可能引起輸送機(jī)與運(yùn)料間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生事故，因而需對(duì)系統(tǒng)的制動(dòng)加以?xún)?yōu)化。

3 變頻調(diào)速在節(jié)能方面的作用

煤礦作為耗能型企業(yè)，每天需要消耗巨大的電能、水資源等。為響應(yīng)國(guó)家發(fā)改委提出的“節(jié)能減排”政策，補(bǔ)連塔煤礦正在努力轉(zhuǎn)型，礦內(nèi)將節(jié)約電能作為“節(jié)能減排”的首要任務(wù)。目前，變頻調(diào)速作為節(jié)約電能的一個(gè)重要手段。一方面，交流拖動(dòng)負(fù)荷在總用電量中占有很大的比重，對(duì)這類(lèi)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀(guān)的節(jié)電效益；另一方面，交流拖動(dòng)本身又存在著很大的節(jié)電潛力。在許多交流拖動(dòng)裝置中，交流電機(jī)及其所拖動(dòng)的機(jī)械在選用時(shí)往往都留有一定的裕量，而且也不總是在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行；在輕載時(shí)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度控制改變某些工作機(jī)械的工況，就可達(dá)到節(jié)電的目的。在大容量、高電壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)、膠帶機(jī)上推廣應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)絕對(duì)可以達(dá)到節(jié)約電能的目的。理由很簡(jiǎn)單，在節(jié)電率百分比相同的情況下裝機(jī)容量愈大，其絕對(duì)節(jié)電量也愈大。

4 變頻技術(shù)在綜采工作面運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用

綜采工作面刮板運(yùn)輸機(jī)工作條件惡劣，存在停車(chē)的隨時(shí)性。刮板運(yùn)輸機(jī)鏈條刮板運(yùn)動(dòng)的靜摩擦力很大，特別是刮板輸送機(jī)停機(jī)后，還有片幫煤給刮板運(yùn)輸機(jī)加載產(chǎn)生“壓溜”，造成設(shè)備難啟動(dòng)。井下又受到了電網(wǎng)容量的限制、空間限制、同時(shí)又處于爆炸性氣體與煤塵的環(huán)境中，使解決井下大型運(yùn)輸設(shè)備的重載難啟動(dòng)問(wèn)題更加艱難。刮板輸送機(jī)的啟動(dòng)控制有以下要求：

1）盡可能小的啟動(dòng)電流，以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、減少電機(jī)發(fā)熱和供電系統(tǒng)的影響。

2）由于刮板輸送機(jī)啟動(dòng)初始為吸收間隙的空載運(yùn)動(dòng)，要求電機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)矩要小，速度要慢；由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩來(lái)克服靜摩擦阻力，并且能有平穩(wěn)提升的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線(xiàn)，逐步加速；克服靜摩擦后，負(fù)載會(huì)明顯減少，此時(shí)電機(jī)的力矩提升又相對(duì)變慢，這樣才可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)。變頻啟動(dòng)也是一種軟啟動(dòng)，是交流異步電動(dòng)機(jī)理想的啟動(dòng)方式。它既具有軟啟動(dòng)的特點(diǎn)。又可在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)調(diào)整頻率。它把電力配電網(wǎng)50Hz恒定頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電，供普通的交流異步電動(dòng)機(jī)作電源用。由于變頻器采用電壓頻率按比例平滑上升的控制方式，能提供低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利于電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，且可控制啟動(dòng)速度，是一種真正的平滑軟啟動(dòng)方式。同時(shí)它保持了電動(dòng)機(jī)的硬機(jī)械特性。與其他啟動(dòng)方式相比，啟動(dòng)電流小而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，對(duì)設(shè)備無(wú)沖擊力矩，既不影響其他設(shè)備的運(yùn)行，又有較理想的啟動(dòng)特性。

利用變頻啟動(dòng)的刮板機(jī)可以大大減小大功率電機(jī)的啟動(dòng)電流，減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)不產(chǎn)生較大的電壓降，可以提高電機(jī)的使用壽命。變頻啟動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，可以使刮板鏈條張力平緩增大，減少刮板鏈條及其他附屬設(shè)備的磨損。大大地提高了設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

膠帶輸送機(jī)具備高電壓、大功率的特點(diǎn)，在煤炭運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用，作為煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)中的喉嚨，膠帶輸送機(jī)非常關(guān)鍵，對(duì)保障煤炭運(yùn)輸工作的正常進(jìn)行起到關(guān)鍵的作用，在以往的運(yùn)輸中，膠帶輸送機(jī)常常會(huì)處于空載或者輕載的情況下，這就耗費(fèi)了大量電能，造成了資源浪費(fèi)，變頻技術(shù)的應(yīng)用，保障了膠帶運(yùn)輸機(jī)安全高效可靠運(yùn)行。由于其優(yōu)越的軟起動(dòng)、軟停止，減少了膠帶損傷，延長(zhǎng)了膠帶運(yùn)行壽命；在節(jié)能方面，實(shí)現(xiàn)了帶速隨負(fù)荷的變化而變化，避免了電能損耗。