高壓變頻技術在大型煤礦主斜井帶式輸送機的應用

暢永順 張智勇

高壓變頻技術在大型煤礦主斜井帶式輸送機的應用

暢永順 張智勇

以同煤國電同忻煤礦有限公司主斜井帶式輸送機為例，介紹了完美無諧波高壓變頻技術首次在煤礦大型主斜井帶式輸送機的成功應用，并敘述了設備系統構成和選型分析、以及與其他同類技術進行比較的效果。通過實踐驗證了在大型煤礦主斜井帶式輸送機上應用完美無諧波高壓變頻技術的優越性。

煤礦開采；帶式輸送機；輸送機控制技術；高壓變頻器

同煤國電同忻煤礦有限公司（簡稱同忻礦）主斜井帶式輸送機的電氣控制部分是我國煤炭行業首次采用高電壓、大功率、多點驅動變頻調速技術，并實現了長距離傳輸和帶載運行。特別是設計采用和成功實施的完美無諧波、各工況條件下有效控制輸送機軟啟動/軟停車技術，以及整個動態過程中的集中控制方式技術均位于國內煤炭行業領先地位，對我國煤炭行業實現井下運輸自動化、現代化具有較高的參考價值和指導意義。

該輸送機用于由井底煤倉向上輸送原煤。輸送機的輸送傾角為上運 5.13°～3.08°～4.4°，裝機功率 N=3×1 800 kW+3×1 800 kW/6 kV。電機選用國產防爆電機，位于輸送機頭部和中部。頭部為功率配比為2∶1的雙滾筒三電機驅動，中間驅動單元采用功率配比為1∶1∶1的三滾筒三電機驅動。中間驅動的使用，可以降低承載膠帶的最大張力，從而可以使選用膠帶強度等級降低，膠帶成本下降。

1 控制系統介紹

該機的電氣控制系統設計選用了西門子S7 400H系列PLC，其主要完成以下功能。

①帶式輸送機的故障檢測及保護功能。并建立故障排除系統，可在電腦系統的指引下逐步排除故障。

②監視變頻裝置運行狀態。為了增強系統的可靠性，系統將變頻器故障信號引入PLC系統，經其綜合判斷后，使系統發出信息或保護停機。

③電機的速度給定控制。給定控制根據實際使用要求，可以采用變頻器分級給定、PLC無級調速給定兩種方式。

④組建上位機系統，增強系統的自動化程度，降低勞動量。

⑤顯示皮帶運輸機運輸全過程并實現運輸統計、管理。

同時電氣控制系統還建立冗余系統，其目的是減少因一個錯誤或系統維護而導致的產品損失。

變頻驅動系統的組成。

皮帶頭部3個驅動：3臺2 250 kW變頻器配接3臺1 800 kW國產防爆電機，配1套主PLC。

皮帶中部3個驅動：3臺2 250 kW變頻器配接3臺1 800 kW國產防爆電機，配1套西門子ET200S防爆型PLC（電機與變頻器距離2 100 m）。

主PLC (內置西門子研發的皮帶控制軟件)，保證6臺電機同步、功率平衡、皮帶平穩啟停。皮帶頭部驅動系統與中部驅動系統之間通訊通過PROFIBUS現場總線實現。

考慮到皮帶中部的電機與變頻器距離較遠，電機編碼器信號及軸承和定子測溫信號傳輸可靠性，在電機附近設置PLC從站，采用西門子ET200S防爆型PLC，用光纖將電機控制信號接入后通過PROFIBUS現場總線傳輸至地面主PLC站。

6臺變頻器采用一拖一方式運行，均工作于速度模式，依靠PLC+Droop control功能，確保變頻器之間的功率平衡、速度同步。

2 方案

結合國外先進經驗及我國煤礦發展的實際情況來看，今后我國煤礦帶式輸送機的發展趨勢為：長距離、高帶速、大運量、大傾角、大功率的方向。

同忻礦作為年產量可達千萬t的國有大型礦井，其控制、傳動系統的方案既要體現一般礦井井下皮帶機的基本要求，又要能代表我國高科技、現代化煤礦建設的發展趨勢。

變頻調速現已成為電氣傳動最具競爭力的傳動技術，無疑是皮帶機驅動設備的發展方向之一。

在該項目中，長距離、大運量帶式輸送機的驅動和拉緊裝置是選擇帶式輸送的關鍵。由于其單機驅動功率大、多機多滾筒驅動，因此要求其具備能夠控制啟車和停車加減速度、調節驅動扭矩、調節多機多滾筒驅動的功率平衡、具有較高的自動化控制程度及對拉緊張力需求較高的特點。

該項目使用西門子完美無諧波高壓變頻器，其在以下幾點表現出優越性。

①輸入諧波。完美無諧波高壓變頻器通過將輸入變壓器進行多重化設計形成多脈沖整流措施，有效消除了輸入諧波。從理論上可以推導出：K=N×P±1（N為整數），36脈沖整流35次以下諧波自動抵消。6 kV變頻器采用的36脈波的LGBT整流電路結構，輸入諧波遠遠小于規定標準，在不用濾波器情況下一般在2%左右，不會對電網產生影響。即：無需使用濾波器就能達到完美的輸入波形。

②輸入功率因數。西門子高壓變頻器輸入功率因數可達95%以上，遠遠高于其他普通電流源變頻器。

③輸出波形質量。輸出波形質量包括輸出諧波、dv/dt、共模電壓等指標。其中：輸出諧波會引起電機的附加發熱和轉矩脈動；dv/dt和共模電壓會影響電機的絕緣。變頻裝置對輸出電纜長度及型號無任何要求，電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響。

完美無諧波變頻器輸出的波形與正弦波非常相似，而且dv/dt幅值小，不必附加輸出濾波器，可以直接使用普通國產異步電機。2010年5月，由杭州銀湖電氣設備有限公司專業檢測治理高低壓諧波的專職機構對該套變頻器進行了24 h的周期專業測試，未檢測出諧波干擾。

④可靠性。最重要的是其具備其他變頻器不可比擬的可靠性，主要體現在電源對其的影響：可承受-45%的電壓下降、電機還在旋轉的情況下可重新啟動。

3 項目中的難點分析

同忻礦主斜井皮帶機總長度4 601 m，帶寬1 800 mm，運量達4 800 t/h，是典型的大型化輸送設備，因此具有大型輸送機存在的普遍特點——輸送帶振蕩。

3.1 解決輸送帶振蕩的方法

輸送帶最大張力通常發生在啟動/停止制動工況下，采用軟啟動軟制動裝置，可以有效緩解動態張力的作用。為了將振蕩減小到最小程度，必須選擇理想的驅動裝置，實現可控軟啟動：即在設定的啟動時間內，通過控制輸送機啟動加速度值，確保輸送機平穩啟動，達到額定速度；使啟動電流與啟動張力控制在允許范圍之內。

（1）采用合理的可控啟動、制動或啟動、制動裝置減小動張力作用

通過動態分析可知，長距離、線路復雜的帶式輸送機，最好采用具有可控啟制動功能的驅動裝置，控制輸送機按理想的啟、制動曲線啟動和制動，以減小輸送帶及承載部件的動態載荷。

（2） 最佳的可控啟動/停止速度曲線

為了優化膠帶機的啟動和停車特性，在新的控制切換系統中，完善膠帶機的啟動過程，實現優化S形曲線啟動，使膠帶機的啟動更平穩。同時，膠帶機的停車過程也通過變頻器可控停車理想的速度曲線停止，使其更加平穩停車。在整個啟停過程中加減速度的最大值較小，沒有加速度突變，以最大限度地減小啟動慣性力和啟動沖擊作用。

3.2 恒轉矩負載

在不同的轉速下，負載的阻轉矩基本恒定，恒轉矩負載的功率是和轉速成正比的。啟動轉矩的問題可以在輕載啟動和重載啟動兩種工況下進行觀察。如果啟動轉矩不夠，在運輸機重載啟動時，會出現電機正反轉，電機啟動吃力，并會引起機械部分局部振動，影響設備正常運行。電流在升到一定值時就會降到0，這時電機就會被皮帶拖著反轉。解決這個問題應從以下幾個方面考慮：

①電機應安裝軸編碼器，保證變頻器閉環運行。這可以保證在皮帶0轉速時也能滿轉矩，從而保證足夠的啟動轉矩。

②變頻器選型考慮一定的裕量，變頻器的啟動轉矩是額定轉矩的1.5倍。

4 項目調試過程中的技術問題及解決方法

4.1 功率平衡的實現

多電機驅動時功率的平衡，由于驅動滾筒圍抱角和摩擦力不同，出現出力不均衡、各點電機電流相差太大，可能有的電機出力不足，有的已嚴重過載甚至燒毀，因此要求各電機功率平衡、出力均衡。本系統由6套驅動裝置構成。根據現場設備布置，頭部1#與2#驅動裝置同軸，屬于剛性連接，3#驅動與它們之間屬于柔性連接；中間驅動4#與5#與6#驅動裝置之間屬于柔性連接。

本方案采用“Droop control”控制技術，系統變頻器個體之間沒有主從之分，每一臺可以是主，也可以是從，相對都是獨立的，只需要接受上位機的速度信號，根據這個速度信號來進行調節控制。

4.2 中間驅動控制技術

頭部驅動和中間驅動相距2.1 km，從控制上來說希望是頭部轉起來以后，膠帶張力在達到中間驅動前一定范圍的時候，中間驅動能夠及時地轉起來。其關鍵技術是各驅動點的帶速同步、功率配比和功率平衡，中間驅動點數量越多，這種要求就越高。采用的方式是在中間驅動的附近安裝了張力傳感器，實時監測中間驅動膠帶張力，當張力達到設定值的時候，中間驅動能夠實時啟動。

4.3 多點驅動中的振蕩或疊帶打滑問題

不同點驅動時，由于皮帶的黏彈特性，電機啟動要根據張力的作用進行時間配合，否則就會出現振蕩或疊帶打滑等現象。

膠帶機的停車過程將通過變頻器可控停車，滿載正常運行時，皮帶最大張力為1 052 kN，皮帶安全系數為7.7；空載正常運行時，皮帶最大張力為405 kN，皮帶安全系數為20，說明所選膠帶的強度在滿載/空載正常運行時是足夠的。滿載正常運行時，傳動滾筒處皮帶張力比為1.67；空載正常運行時，傳動滾筒處皮帶張力比為1.08，傳動滾筒的驅動系數=2.70，所以滿載/空載正常運行時傳動滾筒處皮帶不會出現打滑現象。

4.4 在大運量情況下出現重載啟車困難的情況

具體處理方法：將參數做重新調整設定，保證重載啟車（說明：同忻煤礦原先6臺變頻器的參數設置相同，為提高啟動轉矩，將參數做了重新設定）。為此，7#變頻器作為切換使用的變頻器，在使用時必須修改如下相對應的參數后，方可替代1#，2#，3#變頻器或4#，5#，6#變頻器正常運行，見第18頁表1）。

4.5 低速驗帶功能

在皮帶機安裝初期或檢修調試期要低速運行，利于檢查皮帶機。帶速要在0.2 m/s以下，有利于人工驗皮帶。

表1 變頻器參數更改對照

5 應用體會

①自動調速、節電效果明顯、運營成本低，符合國家產業政策對煤礦的特殊生產要求。有時，煤的產量是極不均勻的，所以皮帶機的運煤量也是不均勻的。

②降低膠帶張力，延長設備壽命。由于采用變頻器所產生的良好啟動特性，至少可降低啟動張力30%，如在初期設計選擇膠帶強度時可降低一個標號。在實際應用過程中，由于降低了啟動沖擊，皮帶機機械系統的設備損耗也隨之降低，尤其是膠帶接頭、托輥、減速器及滾筒的壽命也可延長。

③運行可靠，維護成本低。該帶式輸送機可顯著提高設備安全運行的可靠性，節約能源，降低生產成本，延長使用壽命。我公司2010年全年提升原煤1 006萬t，由于使用高壓變頻調速，比使用CST調速全年節約電費1 502萬元、維檢費820萬元，節支總額達到了2 322萬元，經濟效益巨大。

該項技術成果代表了大型煤礦帶式輸送機的發展趨勢，為今后建設高科技、現代化礦井，原煤運輸提供了寶貴的實踐經驗。

[1]吳忠智，黃立培，吳加林.調速用變頻器與配套設備選用指南.北京：機械工業出版社，2000.

Application of High Voltage Converter Technology in the Slope Belt Conveyors in Large Coal Mine

Chang Yongshun Zhang Zhiyong

Taking the main inclined belt conveyor of Tong coal limited company as an example,this paper introduces the successful application of perfect and harmonic high-voltage inverter technology in the belt conveyor of large coal mine firstly.This paper also introduces the equipment system structure,the selection analysis and the effect through comparing with other similar technologies.Through the practice，the superiority of perfect no harmonic highvoltage inverter technology is verified,which applies in main inclined belt conveyor in large coal mine.

coal mining;belt conveyor;conveyor control technology;high-voltage inverter

TD63+4

A

1000-4866（2012）01-0015-04

暢永順，男，1974年出生，北岳職業技術學院（煤礦機電專業）畢業，現在同煤國電同忻煤礦有限公司工作，助理工程師。

張智勇，男，1978年出生，太原理工大學（采礦專業）畢業，現在同煤國電同忻煤礦有限公司工作，助理工程師。

2012－01－11

收稿日期：2012－01－26