煤礦帶式輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用研究

曹海龍

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

皮帶運輸因其連續(xù)性和高效性在煤礦原煤運輸中被普遍采用[1-5]。在運輸過程中常規(guī)的皮帶輸出功率和運輸速度恒定，在空載、輕載時存在電力浪費，輸送機在空載啟動時要求電壓較高，對電網(wǎng)及其他機電設(shè)備運行造成影響，重載啟動時甚至出現(xiàn)難以啟動的現(xiàn)象。因此，目前煤礦多采用液力耦合器對皮帶進行軟啟動，基本解決皮帶運輸啟動困難問題。但使用液力耦合器存在易損壞設(shè)備、啟動電流沖擊大及多電機驅(qū)動功率不平衡等問題。

1 帶式輸送機的工作原理

帶式輸送機構(gòu)成部件主要有電機、減速器、滾筒、皮帶、H 架，托輥及安全保護裝置，其驅(qū)動系統(tǒng)一般采用2 臺同功率電機同步驅(qū)動。一般電機轉(zhuǎn)速較高，需通過減速器將轉(zhuǎn)速調(diào)整至所需的皮帶傳送速度。減速器與皮帶驅(qū)動滾筒連接，皮帶通過張力與驅(qū)動滾筒形成靜摩擦力，啟動皮帶電機后，電機旋轉(zhuǎn)帶動減速器旋轉(zhuǎn)和變速，驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)時帶動皮帶運行以達到運輸?shù)哪康?。帶式輸送機結(jié)構(gòu)如圖1。

圖 1 帶式輸送機結(jié)構(gòu)示意圖

2 液力耦合器的工作原理及存在的問題

（1）液力耦合器的工作原理

液力耦合器主要依靠聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對內(nèi)部液體加壓驅(qū)動電機，因其內(nèi)部的渦輪和泵輪之間平直排列的葉片相互間存在一定間隙，在運行過程中，通過渦輪帶動泵輪，泵輪帶動驅(qū)動輪，最終以調(diào)節(jié)液壓油體積比來實現(xiàn)對耦合器轉(zhuǎn)速、扭矩的改變，從而實現(xiàn)皮帶驅(qū)動滾筒的軟啟動。

（2）液力耦合器存在的問題

采用液力耦合器的皮帶電機雖然解決皮帶軟啟動問題，但因其工作原理的特殊性，導(dǎo)致液力耦合器電機運行存在以下幾個方面的問題：一是采用液力耦合器的帶式輸送機必須是空載啟動。因為采用液壓耦合器進行軟啟動時其啟動電流將是電機額定電流3～4 倍，其產(chǎn)生的較大電流除會對局部電網(wǎng)造成電壓下降，影響其他設(shè)備運轉(zhuǎn)外，還可能因瞬間產(chǎn)生強力沖擊對電機造成損壞，負(fù)載啟動情況更甚。二是不宜長時間運行。為滿足液力耦合器軟啟動功能，必須在液力耦合器內(nèi)加入水電阻等軟啟動液體，但該液體會隨工作時間長而溫度升高，嚴(yán)重情況時會造成箱內(nèi)易熔塞融化，導(dǎo)致箱體漏液，對環(huán)境造成污染，且增加維護難度，故采用液力耦合器的皮帶電機不宜長時間運行。三是易造成皮帶損壞。因為采用液力耦合器進行軟啟動時，會在很短的時間內(nèi)完成對驅(qū)動滾筒加載，導(dǎo)致皮帶承受張力較大，如果皮帶強度不夠，可能會出現(xiàn)皮帶內(nèi)鋼絲繩斷股、皮帶開裂甚至斷帶情況。四是多電機驅(qū)動的皮帶無法解決轉(zhuǎn)矩平衡。因煤礦井下皮帶運輸往往因運距較長、運輸能力大等原因采用多電機聯(lián)合運轉(zhuǎn)驅(qū)動，多個電機的液力耦合器會由于驅(qū)動能力不平衡導(dǎo)致局部電機負(fù)載過大的安全問題。

3 變頻調(diào)速的原理與方案確定

（1）變頻器的構(gòu)成及工作原理

變頻器主要由變頻主體部分、濾波電容和其他輔助部件構(gòu)成。變頻器主體部分主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電動機的速度，內(nèi)含硅整流和 IGBT 功率器，其工作原理是將進入電機交流電通過整流轉(zhuǎn)為直流電，再經(jīng)過變頻器的IGBT 功率器和濾波電容整流將直流電轉(zhuǎn)換為較小電流的交流電，以較大轉(zhuǎn)矩和較小電流交流電啟動電機，從而實現(xiàn)變頻調(diào)速和軟啟動。變頻器整流線路圖如圖2。

圖2 變頻器整流線路圖

（2）變頻調(diào)速方案的確定

煤礦帶式輸送機根據(jù)工作面性質(zhì)及運輸量可分為普通帶式輸送機和強力膠帶輸送機。普通帶式輸送機一般采用雙電機并聯(lián)驅(qū)動，強力膠帶輸送機一般采用2～3 臺電機聯(lián)合驅(qū)動，多臺電機聯(lián)合驅(qū)動過程中，可能存在電機啟動不同步或電機間啟動滑差造成輸出頻率不一致，進而出現(xiàn)各電機轉(zhuǎn)矩不一致，輕微情況導(dǎo)致出現(xiàn)軟啟動困難，嚴(yán)重情況則可能出現(xiàn)電機故障甚至燒毀電機情況。故需針對具體情況對各電機的轉(zhuǎn)矩進行平衡以實現(xiàn)變頻調(diào)速，確保各電機輸出頻率和轉(zhuǎn)矩一致來實現(xiàn)電機的正常軟啟動的同步變頻。針對不同情況可采取如下三種變頻調(diào)速方案。

方案一：針對要求電機輸出功率較小且驅(qū)動電機數(shù)量少的普通帶式輸送機，可采用一個變頻調(diào)速電機帶動普通電機的運行方案。該方案成本較低，但易出現(xiàn)電機啟動期間轉(zhuǎn)矩輸出不均衡情況，主驅(qū)動電機負(fù)載較高。

方案二：針對要求各電機輸出功率和轉(zhuǎn)矩一致且兩臺電機驅(qū)動的帶式輸送機，可采用主動+從動變頻調(diào)速的驅(qū)動控制方案。該方案可滿足各電機輸出功率和轉(zhuǎn)矩的平衡一致性，是較為經(jīng)濟且簡單的變頻調(diào)速方式。

方案三：針對驅(qū)動電機數(shù)量較多，各電機間存在較大間距的強力膠帶運輸機（如上、下山，斜井運輸?shù)膹娏δz帶運輸機）則需采取統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜變頻調(diào)速方案。

針對以上三種變頻調(diào)速方案，結(jié)合沙坪煤礦實際情況，使用帶式輸送機數(shù)量最多的主要集中在掘進工作面和采煤工作面，而掘進工作面和采煤工作面多采用雙電機驅(qū)動，適用方案一和方案二。為充分滿足調(diào)速后的輸出功率和轉(zhuǎn)矩的平衡，則方案二為最優(yōu)方案。故針對沙坪煤礦實際情況，選擇主動+從動變頻調(diào)速方案。

（3）主控+從控變頻調(diào)速原理及功能的實現(xiàn)

主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)以一臺變頻器為主控輸出確定轉(zhuǎn)矩，從控變頻器根據(jù)主控變頻器給出的轉(zhuǎn)矩通過矢量控制算法與主控變頻器同步運行，實現(xiàn)同主控變頻器一致的電機轉(zhuǎn)矩，進而實現(xiàn)輸出功率的平衡性。主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3。

圖3 主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，將主控變頻器中的速度調(diào)節(jié)器調(diào)整在轉(zhuǎn)速給定值，由主控變壓器輸出電流、電壓檢測電機轉(zhuǎn)速觀測值，通過速度調(diào)節(jié)器給定轉(zhuǎn)矩，通過矢量控制算法輸出電壓至主控變頻器電機，同時將轉(zhuǎn)矩給定值傳輸至從控變頻器，從控變頻器根據(jù)矢量控制算法輸出電壓至從控變頻器的電機，因轉(zhuǎn)矩值有主控變頻器調(diào)節(jié)后傳給從控變頻器，故主控電機的輸出轉(zhuǎn)矩同從控電機輸出轉(zhuǎn)矩一致，保證輸出功率的一致性。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的效果

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，在皮帶開啟方面，通過調(diào)速系統(tǒng)使皮帶電機執(zhí)行軟啟動，啟動電流較小，避免啟動時強電流對電網(wǎng)的沖擊，啟動緩慢而平穩(wěn)，減少啟動沖擊力，大大降低電機內(nèi)部構(gòu)件和皮帶的損壞，延長設(shè)備使用壽命。在重載啟動方面，通過變頻驅(qū)動使運轉(zhuǎn)頻率降低以增大轉(zhuǎn)矩，進而可實現(xiàn)皮帶重載啟動，在實際應(yīng)用中該功能產(chǎn)生的效果顯著。在對運行期間的皮帶調(diào)速方面，系統(tǒng)通過煤流傳感器的傳輸數(shù)據(jù)計算皮帶負(fù)載量對電機轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，避免皮帶空載恒速運轉(zhuǎn)造成的電能浪費。

5 結(jié)語

通過對沙坪煤礦帶式輸送機采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，解決采用液力耦合器出現(xiàn)的多電機輸出功率和轉(zhuǎn)矩不平衡及損壞設(shè)備等問題，提高了設(shè)備的使用壽命，減少了對皮帶的損害，可根據(jù)運輸煤量大小自動調(diào)整皮帶運行速度，為煤礦企業(yè)提高了經(jīng)濟效益。