煤礦企業膠帶機驅動方式探討

摘要：隨著煤礦建設不斷大型化，長距離、大運量膠帶機被廣泛使用，膠帶機的啟動問題也逐漸突出，本文就膠帶機常用的幾種驅動方式進行探討。

關鍵詞：軟啟動 液力耦合器 CST 變頻器

0 引言

目前，在煤礦建設中，長距離、大運量帶式輸送機的需求迅速增長。由于膠帶機具有大慣量的特點，起、制動過程需要電機提供高起動轉矩，如果在起動過程中，未采用軟啟動方式。可能會有以下問題：①驅動電機的起動電流會對電網造成很大沖擊，同時又造成供電線路壓降過大；②傳動設備要承受猛烈沖擊，膠帶張力過大會危害輸送帶及其它部件i③膠帶和滾筒之間可能發生嚴重打滑，加速膠帶的損耗；④多臺電動機驅動時還存在多臺電機的負載分配問題：為此人們不斷研究，開發新的設備和技術來實現膠帶機的軟啟動。目前實現軟起動的主要方式分為機械和電氣兩大類。機械方式：包括使用液力偶合器，CST(線性濕式離合器)，等；電氣方式：主要為變頻調速(其它還有串電阻啟動等方法，因在煤礦不經常采用，這里不再討論)下面詳細介紹各種軟啟動方式。

1 液力偶合器

1.1 液力偶合器工作原理和特點液力偶合器是一種液力傳動裝置，又稱液力連軸器。液力耦合器的結構主要由殼體、渦輪、泵輪三個部分組成。泵輪和渦輪相對安裝，統稱為工作輪。在泵輪和渦輪上有徑向排列的平直葉片，泵輪和渦輪互不接觸。兩者之間有一定的間隙(約3mm～4mm)；泵輪與渦輪裝合成一個整體后，其軸線斷面一般為圓形，在其內腔中充滿液壓油，電動機運行時帶動液力耦合器的殼體和泵輪一同轉動，泵輪葉片內的液壓油在泵輪的帶動下隨之一同旋轉。在離心力的作用下，液壓油被甩向泵輪葉片外緣處，并在外緣處沖向渦輪葉片，使渦輪在受到液壓油沖擊力而旋轉；中向渦輪葉片的液壓油沿渦輪葉片向內緣流動，返回到泵輪內緣，然后又被泵輪再次甩向外緣。液壓油就這樣從泵輪流向渦輪，又從渦輪返回到泵輪而形成循環的液流。液力耦合器中的循環液壓油，在從泵輪葉片內緣流向外緣的過程中，泵輪對其做功，其速度和動能逐漸增大：而在從渦輪葉片外緣流向內緣的過程中，液壓油對渦輪做功，其速度和動能逐漸減小。液壓油循環流動的產生，是泵輪和渦輪之間存在著轉速差，使兩輪葉片外緣處產生壓力差。液力耦合器工作時，電動機的動能通過泵輪傳給液壓油，液壓油在循環流動的過程中又將動能傳給渦輪輸出。液壓油在循環流動的過程中，除受泵輪和渦輪之間的作用力之外，沒有受到其他任何附加的外力。根據作用力與反作用力相等的原理，液壓油作用在渦輪上的扭矩應等于泵輪作用在液壓油上的扭矩，這就是液力耦合器的工作原理。

液力耦合器調速原理表明，傳動速度的改變，實質是機械功率調節的結果。因此液力耦合器輸出轉速的降低，實際是輸出功率減小。在調速過程中，液力耦合器的原傳動轉速沒有發生變化，假設負載轉矩不變，原傳動的機械功率也不變，那么輸入與輸出功率的差值功率那里去了呢，顯然是被液力耦合器以熱能形式損耗掉了。設原傳動功率為PMl，輸出功率為PM2，損耗功率則為：△P=PMl-PM2。

由以上公式說明液力耦合器是一種耗能型的機械調速裝置，調速越深(轉速越低)損耗越大，對于平方轉矩負載，由于負載轉矩按轉速平方率變化，原傳動輸入功率則按轉速的平方率降低，損耗功率相對小一些，但輸出功率是按轉速的立方率減小，調速效率仍然很低。

1.2 液力偶合器的優缺點①調速范圍寬，可實現從零調節；②沒有電氣連接，可工作于危險場地，對環境要求不高；③價格便宜，技術成熟；④結構簡單，操作方便；⑤能量轉換效率低；⑥液壓油老化后定時更換。

2 CST(線性濕式離合器)

2.1 CST(線性濕式離合器)的工作原理CST是一個由多級齒輪減速器加上濕式離合器及液壓控制組成的系統。CST的輸出扭矩是由液壓控制系統控制的，隨著離合器上所加的液壓壓力而變化。

對于CST裝置，操作者可根據需要，通過控制器設置所需耍的加速度曲線和啟動時間。在收到啟動信號后，電機先空載啟動，達到額定速度后，液壓系統開始增加離合器反應盤系統的壓力。當反應盤相互作用時，其輸出力矩將與液壓系統的壓力成正比。設在輸出軸上的速度傳感器，檢測出速度并反饋給控制系統，該速度信號將與控制系統設定的加速度曲線比較，其差值將用于調整反應盤壓力，從而確保穩定的加速度斜率。

在啟動過程中，離合器滑差所產生的熱量將由流經反應盤的冷卻液帶走并經熱交換系統散熱。冷卻液、減速器潤滑液以及液壓控制系統的液壓油采用相同的油。

2.2 CST的特點一條膠帶機可以由一臺電機及一臺CST驅動，也可以由多臺電機及多臺CST驅動。驅動電機在負載(膠帶機)起動之前啟動，此時CST的輸出軸保持不動，當驅動電機達到滿轉速時，控制系統逐漸增加到每臺CST離合器上的液壓壓力，起動膠帶機并逐漸加速到滿速度。這使得膠帶機在被加速至滿速度之前有一個緩慢而均勻的預拉伸過程。加速時間可以根據需要在規定范圍內進行調整。啟動時驅動電機可以按順序空載啟動，所以電機的沖擊電流非常小。由于驅動電機可以根據運行負載進行選擇而不必根據起動負載選擇，所以CST驅動系統可以選用功率較小的電機。

同樣CST也可以象控制膠帶機的起動那樣控制膠帶機的停車，通過延長停車時間可以降低對膠帶的動態沖擊力。

當一驅動系統中有多臺CST時，控制系統可以確保每臺驅動電機分擔相同的負載。合理的功率平衡可以有效地延長整個驅動系統各部件的壽命。功率平衡是通過保持控制每臺CST離合器的壓力，并允許一臺或幾臺CST的離合器進行輕微打滑來實現的。

皮帶正常運行時，根據系統中各CST的功率平衡要求，每臺CST的離合器或者保持少量打滑狀態，或者維持壓力以無打滑方式輸出所要求的扭矩，但系統中任何負載的增加都將引起離合器打滑，這種情況被稱為“軟鎖定”。當離合器被軟鎖定時，任何的瞬間的過載或沖擊載荷都將引起離合器的打滑，這樣驅動系統的所有部件，包括聯軸器、軸承和齒輪等都將在沖擊或過載時受到保護，從而延長其使用壽命。

與液力耦合器相比由于CST具有電一液控制系統，使得CST可以讓用戶設定啟動、停車曲線，并在多臺CST間實現功率的平衡非常容易。而可調液力耦合器雖然可接受由簡單的電信號，但本質還是純機械的方式。所以無法提供可控的啟動、停車曲線。

2.3 CST的優缺點①優點：a可以讓用戶設定啟動、停車曲線；b離負載最近，從而動態相應快，對負載可精確控制；c減速機和負載隔開，從而使減速機的工作條件良好，提高了減速器的壽命；②缺點：a系統復雜，有液壓、電控兩套系統，維護需要較高的技術；b對大容量膠帶機用CST須需多路供電，且需高低壓兩種供電電源；c無法提供可控的啟動、停車曲線；d對油質要求較高；e全套國外產品，價格較高。

3 變頻器

3.1 變頻器的工作原理煤礦企業膠帶機驅動電機普遍采用鼠籠式電機，電機轉速公式為：η60f/p(1－s)

式中n—電動機的轉速；f—電動機定子電源的頻率(Hz)：p—電動機的極對數；s—電動機的轉差率。

由此可知，可以通過改變f、s和p等3種方法控制交流異步電動機的轉速n，但由于轉差率s和極對數p不易改變，因此常用的是改變頻率f。

變頻器是利用電子和可控硅為基礎，實現對電動機的電壓和頻率進行控制，使電源頻率平滑改變，從而使電動機可以平穩地啟動，機械和電應力也降至最小：而且能根據工況隨時改變頻率，從而實現對膠帶機帶速的控制。

變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。目前交直交變頻使用比較廣泛，在此簡單介紹一下它的工作原理。交直交變頻由順變器、中間濾波環節、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調直流電，通過電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變為可調頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路，濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩定的電壓源或電流源。

3.2 變頻器的特點目前工業用變頻器規格范圍很寬，從幾kW到幾Mw都有，近幾年中、高壓大功率變頻器產品逐漸增多。現代變頻器基本都采用矢量調速技術，使受控電機呈現優良的調速特性和滿意的負載能力。變頻器的加速曲線可以在很寬的范圍內設定，能滿足控制帶式輸送機加速度的要求。變頻調速系統的機械特性很硬，基本與電機的固有特性相同。使用開環系統控制帶式輸送機的驅動可以滿足技術要求。

當用多臺變頻調速電動機驅動1臺帶式輸送機時，會有一臺變頻器被指定為主變頻器，其他變頻器指定為從變頻器，主變頻器采用轉矩控制，從變頻器采用速度跟隨控制。運行中只對主變頻器控制，全部從變頻器通過數據通訊，同步地、自動跟隨主變頻器實時運算、動態運行，保持良好的主、從關系和功率平恒。

在下運帶式輸送機上，變頻器可確保電機輸出足夠的制動轉矩以平衡動力負載，使輸送機穩速運行，如果為四象限變頻器，還可以向電網反饋能量。

變頻器能夠提供很低的膠帶運行速度，滿足驗帶需要，并且變頻器擁有很強的故障診斷能力，可根據用戶需求提供不同的通訊接口實現數據上傳，這是機械式軟啟動裝置所無法實現的。

3.3 變頻器的優缺點

3.3.1 優點：①單元占用空間小，容易布置；②能量傳遞的環節少，因而驅動系統的效率高；③能量傳遞的環節都是剛性的，可靠性高，適用范圍廣；④維護工作量小。⑤效率高，高達96％以上，遠遠高于晶閘管大功率調速裝置；

3.3.2 缺點：①諧波大，大容量對其他電器設備有一定的干擾，需加濾波器；②大容量變頻器必須考慮散熱，而且要求環境清潔，一般需加裝空調進行散熱；

為了更好的對以上3種膠帶機驅動方式進行對比請看下表：

通過以上對比我們可以得出結論：

液力耦合器的驅動方式：適用于膠帶機功率較小，且對啟動特性無特殊要求或工作環境比較惡劣無法使用其他軟啟動的情況。這種方式是目前應用最廣泛的，憑借可靠的技術和很高的性價比，今后也會有一定的市場。

CST驅動方式：適用于長距離、大運量膠帶機，可對膠帶機提供良好的保護，但設備造價較高，須考慮工程預算。由于設備系統復雜，維護成本高，今后會逐步縮小使用范圍。

變頻器驅動方式：由于價格問題，雖然現在變頻器在膠帶驅動上的及應用并不廣泛，但由于變頻器驅動結構簡單、維護方便、與控制系統可以很好的進行數據交換，且中低壓變頻器的價格開始逐漸具有優勢，在今后工業生產自動化規模不斷擴大，性能不斷提高，人員不斷減少的前景下，無疑變頻器驅動是最具前景的方式。