UP10變頻器在煤礦皮帶輸送機上的應用

程寶平

（山西長治市應用技術研究院，山西 長治 046011）

高平市姬家山煤礦斜井采用皮帶輸送機上行運煤，皮帶輸送機由一臺三相異步電動機通過液力耦合器及減速器同皮帶輸送機滾筒軸連接，采用手動開關運行方式。皮帶輸送機起動后電機恒速運行，皮帶的速度不能調(diào)整。由于皮帶輸送機電機長期工頻運行，不能軟起軟停、加之皮帶輸送機采用液力偶合器實現(xiàn)皮帶軟起動，使得電網(wǎng)電壓的波動劇烈，電機內(nèi)部機械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損大，設備的維護和維修工作量大、能耗高、費用大，另外針對皮帶輸送機起動時間短、加載力大而引起的皮帶易斷裂和老化情況，不得不選用強度很高的皮帶，導致成本加大。為提高皮帶輸送機運行效率、減少設備的維護和維修工作量，節(jié)約成本和能源，經(jīng)過市場調(diào)研及對多個改造方案的初期投入費用、維護費用相比較，決定采用變頻器對皮帶輸送機電動機進行改造。

1 皮帶輸送機變頻改造前現(xiàn)場情況

1.1 現(xiàn)場基本情況

煤礦斜井長360m，提升垂直高度為135m，斜井的坡度為22°，運輸方式為上行運煤。改造前的拖動方式為電動機→液力偶合器→減速器→皮帶輸送機滾筒軸→皮帶，皮帶輸送機起動后電機工頻恒速運行，手動開關，皮帶的速度不能調(diào)整。

改造前皮帶輸送機電機及皮帶輸送機技術參數(shù)：

電機型號：Y315S；額定功率：110kW；額定電壓：380V；額定電流：209A

額定轉速:960rpm；功率因數(shù)：cosφ=0.81；變頻范圍：10～50Hz

皮帶機型號：B650；帶速：1.5m/s；帶長：360m；帶寬：650mm

1.2 現(xiàn)場皮帶輸送機工作原理及存在問題

皮帶輸送機是通過電機驅(qū)動皮帶輸送機滾筒軸，靠摩擦牽引皮帶運動，而皮帶則通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。由于皮帶是彈性儲能材料，所以在皮帶輸送機停止和運行時皮帶儲存有大量勢能，因此皮帶輸送機起動時應該采用軟起動的方法，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在起動過程中形成的張力波降到最小，幾乎不對皮帶造成損害。現(xiàn)場皮帶輸送機是通過采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶輸送機的軟起動，并且在皮帶輸送機起動時調(diào)整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載起動。該方法的缺點是，雖然采用了降壓空載起動，但電機的起動電流仍比較很大，達到400A 以上，這不僅引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還造成電機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)場皮帶輸送機電動機動態(tài)運行情況

現(xiàn)場皮帶輸送機采用的電動機是三相異步電動機。由于該皮帶輸送機是向上輸煤至地面，因此電機的輸出轉矩通過減速器轉換后作用在皮帶機驅(qū)動滾筒軸上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機驅(qū)動輪轂上的力矩合成。合成的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡。皮帶輸送機空載運行時，其電機處于正轉電動態(tài)，工作在第一象限；在皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動輪轂上，并使得驅(qū)動力矩逐漸增大；在驅(qū)動力矩超過摩擦阻力力矩后，驅(qū)動輪轂的轉速將加速轉動，通過機械連接使得電機轉子也加速轉動，其速度將超過同步轉速；電機處于正轉再生態(tài)，工作在第二象限。電機運行在第一象限內(nèi)時為電動態(tài)，其定子中的旋轉磁場、電機的輸出電磁轉矩與轉子的轉向同向，電機輸出的電磁轉矩是轉子的驅(qū)動力矩，此時電機從電網(wǎng)吸收的電能大部分由電磁轉矩作用到轉子上以機械能形式輸出。當電機運行在第二象限內(nèi)時為再生態(tài)，由于轉子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，所以電機作用到轉子上的電磁轉矩方向也發(fā)生改變，成為轉子的制動阻力力矩。此時電機轉子被負載的合成力矩拖著以低于同步轉速的速度轉動。

2 皮帶機變頻改造方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮到皮帶輸送機上行輸煤時其驅(qū)動電機運行在兩個象限內(nèi)，所以選用的變頻器是二象限型變頻器。同時根據(jù)皮帶輸送機的工作情況，使選用的變頻器能夠在電機帶載起動、空載起動或停機時能夠輸出直流制動力矩，保證皮帶機平穩(wěn)起動、停止，減小機械沖擊，最終確定選用由山西電神電器設備有限公司生產(chǎn)的型號為UP10-132的變頻器。該變頻器技術數(shù)據(jù)如下。

額定功率：132kW；額定電壓：380V；額定電流：260A。

輸出頻率（變頻范圍）0～50Hz；調(diào)整精度為±1%Hz。

保護功能：具有過載、過流、漏電、斷相欠壓，過載能力為200%，60s。

改造后的拖動方式為變頻器→電動機→減速器→皮帶輸送機滾筒軸→皮帶。

改造中同時進行了以下工作。

1）皮帶輸送機變頻改造自動控制系統(tǒng)

皮帶輸送機控制系統(tǒng)采用電氣柜控制或中控室PLC 控制。在中控室設上位監(jiān)控計算機，使用UP10變頻器組態(tài)軟件對皮帶輸送機進行實時監(jiān)控，并使用該軟件的歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)。PLC 控制系統(tǒng)完成對變頻器的起、停控制，實現(xiàn)各電機等速起動和同步控制，對電機進行過流、過載、短路、斷路檢測和保護，同時實現(xiàn)對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護。系統(tǒng)采用RS-485作為串行通信接口。另外，還匹配了煤流傳感器，可以根據(jù)煤流大小自動調(diào)節(jié)皮帶帶速[1]。

2）皮帶輸送機變頻改造的電氣控制

在皮帶輸送機變頻改造后，將原有的工頻起動電氣柜保留作為工頻旁路，以防止變頻器出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)。如果變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻起動柜應急運行，迅速轉換到電機直接起動狀態(tài)。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯(lián)，組成雙回路可轉換控制系統(tǒng)[2]。

皮帶輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”工頻自動旁路方案，如圖1所示（圖中QF 為原高壓開關柜內(nèi)帶綜合繼保的高壓斷路器）。工頻旁路主回路系統(tǒng)由兩個隔離開關QS1-QS2 和3 個真空接觸器KM1-KM3 組成，KM3 與KM2 電氣互鎖。當電機變頻運行時， KM1 、KM2 閉合，同時QS1、QS2 閉合；當電機工頻運行時，KM3 閉合，同時KM1、KM2斷開。檢修變頻器時，要求QS1、QS2 斷開，使變頻器系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，保證檢修人員的人身安全。

3）變頻器驅(qū)動電動機起動

變頻器驅(qū)動電動機的起動情況也可以分為電動態(tài)起動、再生態(tài)起動和空載起動。為了防止起動時因為拖動系統(tǒng)速度不為零而造成電機和變頻器發(fā)生過載情況，變頻器在電機起動前預先輸出頻率為零赫茲的力矩電流，即變頻器對電機預先輸出一個直流力矩TL與負載力矩相平衡，保證拖動系統(tǒng)起動時初速度為零，這樣變頻器起動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉矩基本不變（視起動后負載力矩情況而定），實現(xiàn)電機的帶載起動。在變頻器輸出頻率到達設定頻率后，電機按該頻率下的特征曲線運行。

4）皮帶輸送機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

皮帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用本地/遠程兩種控制方式，即真空接觸器的分合操作可以由遠程控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以在現(xiàn)場手動控制操作來完成。

現(xiàn)場控制：現(xiàn)場通過直接操縱工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器分合進行變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制操作。

遠程控制：與DCS 直接連接，接受DCS 系統(tǒng)的控制。通過DCS 系統(tǒng)遠程控制工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器的分合操作。

一是加大網(wǎng)絡基礎設施建設的投入，提升農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡基礎設施的支持能力。“互聯(lián)網(wǎng)+”等新產(chǎn)業(yè)正在讓鄉(xiāng)村迸發(fā)出新活力。推進“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，將有助于提升行業(yè)效率，加快構建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，而這必然也離不開農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡基礎設施的支持。二是加大鄉(xiāng)村道路建設。公路是經(jīng)濟發(fā)展的動脈。加快農(nóng)村公路網(wǎng)絡的建設對帶動貧困地區(qū)的旅游發(fā)展、加速農(nóng)特產(chǎn)品的運轉、促進貧困地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、改善農(nóng)民生活水平、促進鄉(xiāng)村地區(qū)各產(chǎn)業(yè)特別是旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著十分重要的戰(zhàn)略意義。

圖1 變頻器“一拖一”工頻旁路方案

3 變頻改造后效益

3.1 節(jié)能效益

1）皮帶輸送機電機工頻時實際消耗的功率P1

式中，I1為皮帶輸送機電機工頻實際運行電流（165A）；U為皮帶輸送機電機工頻實際運行電壓（375V）；cosφ為皮帶輸送機電機工頻實際運行功率因數(shù)（cosφ=0.95）

皮帶輸送機每天耗電量（按每日工作18h 計）：

2）節(jié)電率η：

皮帶輸送機變頻前后功率比為

ηP=(I1/I)3/η1/η2/η3=(165/209)3/0.95/0.8/0.96≈67.58%

式中，變頻裝置效率η1=0.95；考慮皮帶機在低速運轉下的效率會下降，取修正系數(shù)；η2為80%；考慮到其他損耗，取η3=0.96；皮帶輸送機電機的額定電流I=209A。

變頻改造后系統(tǒng)消耗功率為

式中，P0為皮帶輸送機電機額定功率；P2為變頻改造后系統(tǒng)消耗功率。

變頻后皮帶輸送機每天耗電量（按每日工作18h 計）：

變頻后相對于工頻運行時的小時節(jié)電量為

變頻后皮帶輸送機電機每天節(jié)電量（按每日工作18h 計）為

皮帶輸送機電機變頻前后節(jié)電率η為

3）年節(jié)能量

變頻改造后運行一年（按年工作300 天，每天18h，全年5400h 計）節(jié)省的電能為

一年節(jié)省的電費為

148338kW·h×0.50 元/kW·h=74169 元（按每度0.50元計算）

3.2 其他效益

1）電機實現(xiàn)了軟起、軟停運行且起動平滑，轉矩大，沖擊電流減小。

2）運用變頻器的軟起動功能，將電機的軟起動和皮帶機的軟起動合二為一，真正實現(xiàn)了皮帶輸送機軟起動。

3）皮帶輸送機調(diào)速范圍廣，起動轉矩不變，可實現(xiàn)重載起動且安全可靠。

4）電機功率因數(shù)和皮帶輸送機運行效率明顯提高。

5）解決了電網(wǎng)電壓的劇烈波動、電機內(nèi)部機械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損等問題和以往液力偶合器維護工作量大，能耗高問題，延長了電機和皮帶輸送機的使用壽命。

6）可根據(jù)負載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，使得皮帶輸送機的能耗進一步降低。

7）降低對皮帶帶強的要求，減少了皮帶損耗，節(jié)約了皮帶購置成本。

4 結論

變頻改造后保證了煤礦正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全可靠性，提高了皮帶輸送機運行效率，減少了皮帶輸送機維護和維修工作量，降低了皮帶輸送機維護和維修費用，節(jié)約了能源、增加了煤礦的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了煤礦對皮帶輸送機變頻改造的預期目的，增強了煤礦進一步技改的信心。

[1] UP10-132 變頻器用戶使用說明書.山西電神電器設備有限公司.

[2] 黨利軍.高壓變頻器在煤礦皮帶機上的應用.變頻器世界,2010(4).