變頻器在四臺礦主斜井強力皮帶改造中的應用

馬樹權

（山西省同煤集團，山西 大同037000）

0 引言

主斜井皮帶機是四臺礦運煤的咽喉要害，擔負著全礦井下原煤運輸的任務，每天此設備運輸量大、運行時間長。該皮帶機的運行可靠與否，直接影響礦井全年產量和生產任務的順利完成。該皮帶機原電控、傳動系統為串電阻降流啟動方式，啟動電流大，啟動時對機械部分磨損嚴重，對皮帶容易引起張力變化，從而影響皮帶的使用壽命。由于主斜井強力皮帶是多電機啟動，啟動時電機驅動功率難以達到平衡。因此，四臺礦于2010年對主斜井皮帶機電控、傳動系統進行技術改造。

1 改造前后設備使用情況

1.1 改造前

四臺礦主斜井皮帶機運輸長度為864 m，皮帶機型號為DX.S6，傾角β＝14.5°，帶寬B＝1 400mm，帶速v＝3.15m/s，電機為YR－500（3×560kW，電壓6kV），減速器為K269P，采用鋼絲繩芯膠帶提升，設計運輸能力Q＝1 640t/h，啟動形式為電機串電阻降流啟動，通過棒削聯軸器帶動減速器來驅動主副滾筒，最后通過滾筒與膠帶間的摩擦力使用膠帶轉動運行。

1.2 改造后

電機為1PO8405－4PM80－Z（3×615kW，電壓660V），減速器為B3SH17A，啟動形式為通過變頻器對皮帶機采用主從控制進行驅動，使電機慢速啟動，帶動皮帶機緩慢啟動，讓皮帶內部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機在啟動過程中形成的張力波極小，從而在不損害皮帶的情況下啟動運行。

2 變頻器原理

變頻器是結合了應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電機的電力控制設備。其基本原理如下：首先將電源的交流電經過整流變換為直流電，再經過逆變器把直流電源逆變為頻率和電壓可調節的交流電源。

采用變頻器對電機進行控制，可通過改變電壓與頻率而達到調節電機轉速的目的。電機轉速與工作電壓頻率滿足以下公式：

式中，n為轉速（r/min）；f 為輸入頻率（Hz）；s為電機轉差率；p為電機磁極對數。

上式表明，電機轉速與工作頻率成正比，通過改變電機工作頻率即可實現電機轉速的平滑調節目的。電機的磁極對數可根據繞組大小變化，雙繞組電機通過切換繞組電源可實現速度的大范圍調整，變頻器即依據上述原理，利用半導體器件的通斷作用將電源工頻變換為可控制的另一頻率的控制裝置，具有技術調速范圍寬、精度高、節能效果好等顯著優點。

3 傳動部分設計驗算

原始參數：運量Q＝1 640t/h，運輸材料容重ρ＝0.9t/m3；帶寬B＝1 400 mm，帶速v＝3.15 m/s，電機功率P＝3×560kW，減速比i＝22.24；膠帶米自重qd＝60.5kg/m，運距L＝846m，傾角β＝14.5°。

改造后：運量Q＝1 640t/h，運輸材料容重ρ＝0.9t/m3；帶寬B＝1 400mm，帶速v＝3.15m/s，電機功率P＝3×615kW，減速比i＝35.5；膠帶米自重qd＝60.5kg/m，運距L＝846m，傾角β＝14.5°。

3.1 逆止力矩及制動力矩計算

上托輥折算到單位長度質量：

其中，lt′0＝1.2m；G′＝47kg（按DX 系列輸送機托輥旋轉質量表）。

下托輥折算到單位長度質量：

其中，lt″＝3m；G″＝39kg（按DX 系列輸送機托輥旋轉部分質量表）。

逆止力：

FT＝［q×sinβ－（q＋2qd＋q′t＋q″t）ω×cosβ］L×g

FT＝［144.6×sin14.5°－（144.6＋2×60.5＋39.17＋13）×0.02×cos14.5°］×846×9.8≈249 155N

F′T＝1.3FT＝323 901.5N

以上為計算到驅動滾筒上的逆止力。

∵制動器、逆止器分別設在減速器輸入軸和第二傳動軸上

3臺驅動裝置輸入軸上每臺平均制動力矩：

本次改造保持原來6 套制動器（輸入軸上雙對輪，各一套制動器），每套制動力矩：

M ＝2×5 000N·m ＞M ＝2 767.6N·m

所以滿足設計要求。

3.2 高速軸聯軸器強度校核計算

柱銷剪切強度τ：

柱銷擠壓強度σp：

其中，l＝240mm（柱銷長度）。

因此，高速聯軸器滿足使用要求。

3.3 低速軸聯軸器強度校核計算

柱銷剪切強度τ：

柱銷擠壓強度σp：

外套的剪切強度τ1：

其中，D＝675mm（外套外徑），D3＝552mm（外套內徑）。

因此，尼龍棒采用MC尼龍6材料，低速聯軸器采用45#鋼材料，均能滿足使用要求。

4 改造后實現的特點

4.1 節約電能

皮帶機電機功率615kW，平均每天運行17h左右，日運輸煤碳1.2萬t。原設計采用直接啟動方式，啟動后電機全速運行，而井下煤倉下煤量達不到皮帶運輸機的運輸能力，故皮帶上煤量不足，這樣很不經濟，浪費電能。使用變頻器對拖動電機進行變頻調速后，皮帶運輸機按實際需要功率出力，把變頻器輸出頻率設為39～49Hz，電機轉速比工頻速度適當降低，就可以使皮帶運行速度與井下煤倉下煤量相匹配，同時降低了運行電壓和電流，減小了電能消耗。據礦井統計，變頻調速運行比直接工頻運行可節約電能10%～15%。

4.2 節省維修費用

原設計采用電機直接啟動方式，不能調速，啟動過程對電網、電機和傳動機械設備沖擊較大，加劇了機械設備的磨損，縮短了設備使用壽命，同時也縮短了設備維修周期，增加了停產檢修次數。直接啟動也造成控制設備如真空接觸器、開關等的頻繁更換，這都增加了維修費用，停產檢修也造成了煤炭產量的損失。而采用變頻器后，可以實現皮帶運輸機軟啟動，對電網和機械傳動設備基本無沖擊，大大延長了設備使用壽命。

4.3 有效節約人力資源

采用變頻器運行穩定可靠，除正常清潔維護，沒有大量的維修工作，故不必配備許多設備維修人員。變頻器操作簡單方便、運行穩定可靠，每班只需一人值班操作即可，節約了人力資源，相應也提高了生產效率。

4.4 延長皮帶使用壽命

采用變頻啟動方式，通過增大設備轉矩使皮帶勻速啟動，降低了皮帶因啟動而產生的強大的拉力，減少了啟動對皮帶接頭的損壞。

5 結語

變頻啟動器結構緊湊、操作簡單、節省空間、保護完善。根據皮帶電機數量可以組成2～6組的開關組合，能輸出1～3個回路，直接同時軟啟動皮帶1～3臺驅動電機，而驅動電機直接帶動各自減速器就可使皮帶平穩快捷運行，省去了耦合器及相關設備，使空間增大，給檢修和維護保養帶來了極大的方便。新增加的水箱循環冷卻系統使得電機和減速器散熱更加良好、性能更加穩定。

四臺礦主斜井強力皮帶變頻改造后，減少了配件的投入，也使電機啟動速度平穩。通過調節電阻降低了啟動電流，減小了對電網的沖擊以及對電機、減速機、負載的機械沖擊，解決了皮帶重載啟動難的問題，延長了皮帶電機、減速機的使用壽命，降低了勞動強度，大大降低了事故發生率，同時開機率的提高不同程度上增加了煤炭產量，為全礦全年煤炭產量的完成奠定了堅實的基礎。

［1］仲明振.低壓變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］李方園.變頻器控制技術［M］.北京：電子工業出版社，2010.