變頻技術在井下皮帶運輸系統中的應用

權嗣威

（山西焦煤汾西礦業集團，山西 介休 032000）

0 引 言

山西焦煤汾西礦業集團公司統計全礦井運輸設備的總裝機負荷占礦井總負荷的2/5左右，而耗能占全礦井的1/3左右，是煤礦的耗能大戶，采用技術改造實現節能降耗在煤礦運輸系統將有比較大的節能潛力，據綜合分析運輸設備采用變頻調速節能可達到30%，具有明顯的經濟效益和社會效益。

1 現行狀況

煤礦井下大部分運輸皮帶機均為直接啟動，由于起動時間短，對轉動軸（受彎扭力）和減速器沖擊較大，加快減速器齒輪磨損，縮短了機械設備的使用壽命，同時，由于直接啟動時電機啟動電流大，對井下電網造成較大程度的影響；電機頻繁啟動會嚴重發熱，加速線圈老化，縮短電機壽命。基于以上原因，對紫金煤業井下幾處皮帶機進行了技術改造，皮帶輸送機采用變頻驅動控制，實現全過程變頻調速。

煤礦井下開采作業的環境特點：作業空間狹小、潮濕，空氣中含有沼氣、粉塵等易燃易爆炸成分。按照《煤礦安全規程》的要求，在煤礦井下采掘工作面使用的電氣設備和控制設備，必須是符合煤礦井下環境應用的隔爆型或本質安全型設備。

紫金煤業材料巷皮帶機參數為：帶寬1 m；帶速，3.15 m/s；運量，800 t/h；使用兩套200 kW驅動裝置。驅動裝置的組成為：電機+液力偶合器+減速器+驅動滾筒。改造后驅動裝置的組成為（TBD-560M-32Y）：無齒輪永磁同步變頻電機+變頻器+聯軸器+驅動滾筒。

ZJT-250/660型礦用隔爆兼本質安全型變頻器(以下簡稱變頻器)適用于交流50 Hz、電壓660 V供電系統、250 kW及以下三相交流電動機的調速控制,具有啟動轉矩大、起停平穩等特點，能實現交流電機在各種負載情況下的平滑啟動、調速、停車等,具有工作狀態屏幕顯示，過載、過電壓、欠電壓、缺相、過熱、漏電閉鎖等保護功能[1]。

2 變頻調速原理及主要實施方案

2.1 調速原理

三相異步電動機速度公式為[2]：n=(1-s)60f/p

式中：n為異步電動機的轉速；f為電源頻率；s為電動機轉差率；p為電動機極對數；

由公式可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，實現平滑調速。當頻率f在0~50 Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻調速時注意變頻與調壓的配合，變頻調速就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的。

皮帶機采用變頻驅動控制，解決在皮帶機啟動過程中軟起動和大于額定轉矩的1.5倍下的重載起動，減少對皮帶和電網的啟動沖擊。在輕載或空載運行時自動降低皮帶機的運行速度，起到節電和減少對膠帶及托輥的機械磨損，并可配合皮帶張緊裝置完成皮帶機在停電狀態下放松皮帶，減少皮帶的疲勞，增加皮帶的使用壽命，實現低速驗帶及檢修、高速運行等功能。解決多臺電機拖動之間的功率平衡問題。

2.2 礦用隔爆兼本質安全型變頻器

ZJT-250/660型礦用隔爆兼本質安全型變頻器主要采用交-直-交方式，即先把工頻交流電源通過整流裝置轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

采用變頻器對皮帶機進行驅動的優越性有以下幾點：1）真正實現皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產生的沖擊減至最小，幾乎對膠帶不造成損害。2）降低膠帶帶強。由于變頻器啟動時間可以在1～3 600 s內調整，皮帶機啟動時間通常在60～120 s內根據現場情況設定。啟動時間延長大大降低對帶強的要求，減少設備初期投資。實際應用中，由于降低了啟動沖擊，機械系統的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。3）實現皮帶機多電機驅動時的轉矩平衡。多電機驅動時采用主從控制方式，實現轉矩平衡。4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調速系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下可調整0～100%額定帶速范圍內的任意帶速。5）平穩的重載啟動。變頻器低頻運轉可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動。6）自動調速。變頻器配合煤流傳感器可以根據負載輕重自動調節膠帶速度，節電的同時還減少了膠帶的磨損。7）節能。由于煤礦的特殊生產條件，有時煤的產量是極不均勻的，皮帶機的運煤量也是不均勻的。在負載輕或無負載時，皮帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大得多，只因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車。如果采用單獨的控制系統對前級運輸系統的載荷、本機運輸系統的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對于載荷不均的皮帶機系統，可節約電能，降低皮帶的磨損，提高生產效率。無中間減速器和液力耦合器環節，電機直接傳遞功率給傳動滾筒，采用ZL13柱塞聯軸器聯接。實現變頻軟起、啟動平穩，對電網無沖擊，同時減少了對皮帶機結構件的機械沖擊。省去了減速器、液力耦合器等部件的維護成本投入，節省了油脂消耗。8）減小電壓降（啟動電流仍為額定值）、降低了機械應力（啟動扭矩仍控制在額定值）、變速、多電動機驅動時有良好的載荷分配能力，以及相當高的傳動效率［3］。

公司大量礦井設備陳舊，運行耗電量過大，造成在設計過程中過多地考慮建設前、后期工藝要求的差異，選型裕量過大，使設備長期在低負載、低運行效率下工作。許多礦山位于電力供應匱乏的偏遠的地區，當輸送機電動機在全電壓下啟動時，其啟動電流可能達到滿載電流的600%，這么大的增加量會引起很大的電壓降，對礦區的其他系統造成沖擊。有很多電機調速和啟動方法很落后，這種狀況不但浪費了大量電能，而且造成機械壽命降低，而變頻器可實現降壓啟動，電動機可啟動很慢，逐漸加速到全帶速。當傳遞150%的電動機額定扭矩時也決不會超過滿載電流的150%。這樣啟動可大大降低對供電系統的要求,造不成對與帶式輸送機共用電源的其他關鍵設施的沖擊，因此，在企業推廣變頻調速的效益和潛力是非常巨大的，也符合當前國家的能源改革。近些年來，變頻器在煤礦企業應用越來越多，大多都是低壓變頻器。

皮帶輸送機是煤礦生產中重要的機電設備之一，但是由于皮帶機的運行需要大量電能的支持，尤其是長距離輸送，更是會耗費大量的能源，對輸送機內部制動器的運行負荷也極大，因此，將變頻器應用于煤礦皮帶輸送機中，實現長距離輸送狀態下的軟啟動、空載低速運行等，同時，在變頻器的作用下，輸送機的工作狀態相對穩定，將達到連續、自動化運行的目的。

現場每臺電機配置一臺變頻器，各變頻器根據指令對各自的電機進行獨立的控制，使各電機轉速相同、出力相同。見圖1。控制過程如下：

以其中的一臺變頻器為主機，其余的變頻器為從機，對變頻器的輸出電流進行采樣比較，通過改變從機的控制信號，使其始終跟隨主機而變化。當從機的電流大于主機時，降低從機的給定信號，從而使從機的輸出頻率減小，電機轉速降低，負荷減輕，電流變小；當從機的電流小于主機時，提高從機的給定信號，從而使從機的輸出增大，電機轉速升高，負荷加大，電流變大。最終使電機負荷基本一致，電流在允許的范圍內。

圖1 皮帶機變頻器主從控制簡圖

從目前變頻器使用情況來看，平均節電28%，在技改項目中變頻系統的投入和使用，是非常有效的節能手段。節省資金為煤炭行業帶來可觀的經濟效益和社會效益。該套系統成功投入運行以來，至今運行正常，沒有出現任何故障。

3 結束語

由于煤礦生產的特殊環境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應用起步比較晚。隨著我國市場經濟的深入發展，煤礦的增產、降耗、增效被提到了重要地位，設備節能改造勢在必行。

我國是世界上的產煤大國，又是能源貧乏的國家之一，而且也是噸煤電耗比較高的國家。我們要創造出一條以低能耗實現現代化的新路,節能降耗實為明智之舉。如果煤礦井下多數使用變頻調速裝置，節約能源的效果將是非常可觀的。

[1] 金豐民.帶式輸送機實用技術[M].北京：冶金工業出版社，2012:2.

[2] 郁漢琪.電氣控制與可編程程序控制器應用技術[M].江蘇：東南大學出版社，2003:6.

[3] 賴昌干.礦山電工學[M].北京：煤炭工業出版社，2006:9.