煤礦大功率刮板機高壓集成變頻驅(qū)動技術(shù)研究

李衛(wèi)濤

【摘 要】大采高工作面大功率運輸設(shè)備采用高壓集成變頻技術(shù)，在驅(qū)動機構(gòu)傳遞效率、可靠性和節(jié)能降耗等方面均相對于傳統(tǒng)液力耦合器有較大優(yōu)勢，成為高產(chǎn)高效礦井驅(qū)動裝備最佳選擇，煤礦大功率運輸設(shè)備采用高壓集成變頻驅(qū)動技術(shù)也成為當(dāng)前煤礦節(jié)能型裝備的發(fā)展趨勢。隨著礦用變頻驅(qū)動技術(shù)的高速發(fā)展，大功率、高壓集成變頻技術(shù)逐漸成熟，綜采工作面大功率高壓刮板運輸機采用變頻驅(qū)動成為發(fā)展趨勢，相對于傳統(tǒng)的液力耦合器驅(qū)動，驅(qū)動的傳遞效率得到較大提高，故障影響時間減小，對于多驅(qū)設(shè)備同步性提高明顯，通過變頻智能調(diào)速，大功率設(shè)備每年可以節(jié)省大量電能，且由于設(shè)備采購?fù)度氤杀据^小，控制系統(tǒng)較為簡單，成為高產(chǎn)高效礦井新裝備選型及驅(qū)動改造更新的最佳選擇。

【關(guān)鍵詞】高壓集成變頻 整流單元 逆變單元 諧波控制

1 高壓集成變頻裝置選型基礎(chǔ)

山西省潞安集團李村煤礦位于長治市長子縣南李村村東100m處，礦井生產(chǎn)規(guī)模為500萬噸/每年。該開采3號煤層，平均厚4.96m，屬高瓦斯礦井，采用一次采全高回采工藝。該礦1303工作面運輸裝備選型為SGZ1000/2x1000刮板輸送機，運輸能力2000 t/h（近水平時），刮板鏈速約1.35m/s，安裝長度：280米，采用端卸式，機頭機尾各安裝一套平行動力部，驅(qū)動電機功率2×1000 kW，供電電源為3300V、50Hz。

2 高壓集成變頻驅(qū)動方案

2.1 系統(tǒng)配置

2×1000kW刮板輸送機采用1臺BPJV-2×1250/3.3高壓集成變頻器驅(qū)動，高壓組合變頻器具有2個變頻輸出回路，分別拖動機頭、機尾電機。該方案設(shè)備配置數(shù)量少，占用空間小，集約化程度高，運輸、安裝、布線簡單，維護量小。驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 高壓集成變頻控制系統(tǒng)

2.2.1 遠程監(jiān)控技術(shù)

高壓集成變頻器具有標(biāo)準(zhǔn)MODBUS總線接口，滿足刮板輸送機與礦井自動化系統(tǒng)的通訊需求，可將整個驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳至地面調(diào)度室，還可通過遠程訪問查看設(shè)備運行狀態(tài)，觀察數(shù)據(jù)運行情況，對設(shè)備進行維護等工作。控制系統(tǒng)如圖2所示，地面調(diào)度室監(jiān)控井下設(shè)備運行狀態(tài)，可以互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳至變頻器生產(chǎn)廠家，實現(xiàn)遠程診斷。

2.2.2 通訊控制技術(shù)

高壓集成變頻器具有豐富的外部數(shù)字控制接口和通訊接口，能夠與通訊控制保護系統(tǒng)無縫連接，如KTC101等，實現(xiàn)刮板輸送機的控制與保護。

2.2.3 溫度監(jiān)測、顯示和保護

傳感器信號長距離采集存在失效和布線難的問題，設(shè)備現(xiàn)場就近設(shè)置信號采集箱，采集電機繞組、電機軸承、減速機軸承、減速機油溫等信號，通過高速總線的方式傳送給變頻器，變頻器根據(jù)所設(shè)置的溫度上下限進行預(yù)警保護停機等動作。信號連接如圖2所示。高壓集成變頻器配有中文顯示屏實時顯示采集的信號值。

2.2.4 系統(tǒng)供電

高壓集成變頻器由一臺2500kVA十二脈移動變電站供電，如圖3所示。每臺移動變電站具有兩路輸出，兩路輸出電源之間存在30度的相位差，為變頻器提供12脈沖電源。高壓集成變頻裝置采用12脈沖電源整流減小可以直流脈動，減小電網(wǎng)諧波干擾，提高變頻器整流單元穩(wěn)定與可靠性。

3 高壓集成變頻控制裝置主要實現(xiàn)功能

（1）控制電纜短路防止誤啟動安全保護功能，動力電纜開路防止設(shè)備誤啟動安全保護功能。（2）供電回路，變頻主電路，負(fù)荷電纜，電動機，漏電跳閘保護和漏電閉鎖雙重保護，并在顯示屏實時顯示絕緣值功能。（3）實現(xiàn)斷鏈自動停機保護，刮板輸送機出現(xiàn)饋鏈、卡鏈現(xiàn)象，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鏈環(huán)斷裂，變頻器可自動判斷斷鏈并保護停機，避免事故范圍擴大。減少恢復(fù)工作量，降低勞動強度。（4）刮板輸送機的重載軟啟，高壓組合變頻器啟動可輸出不小于2.2倍額定轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載的狀況設(shè)定與之適用加減速時間，最大程度降低對電機及相關(guān)機械設(shè)備的沖擊損傷，延長設(shè)備使用壽命，降低維修費用，滿足井下刮板機的控制要求。（5）電動機軸承、繞組溫度監(jiān)測、顯示和保護功能接口，減速箱溫度監(jiān)控保護接口。（6）數(shù)據(jù)上傳功能（包括刮板機運行數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)接口及相關(guān)監(jiān)控軟件），運行數(shù)據(jù)顯示記錄功能：包括故障記錄，操作記錄，運行電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度等記錄。記錄時間不小于3年，可以現(xiàn)場無線和有線拷貝，遠程傳輸包括數(shù)據(jù)圖表功能。（7）變頻器每一回路均配有濾波單元，抑制電磁干擾和控制諧波功能，變頻器供電設(shè)計為12脈整流減小直流脈動，減小電網(wǎng)諧波干擾。（8）機頭機尾功率平衡。高壓變頻器可以讀取任一時刻的電機輸出轉(zhuǎn)矩，還可以精確的對輸出的轉(zhuǎn)矩進行控制，三個回路通過內(nèi)部高速總線實現(xiàn)主從通信，實現(xiàn)機頭機尾功率平衡。（9）自檢保護功能。變頻器具有開機自檢和故障自診斷功能，可方便的診斷出當(dāng)前的狀態(tài)是否正常，并在顯示屏上顯示故障代碼，能夠明確指示故障信息并提供故障解決措施。（10）啟停控制功能。啟動控制：操作控制臺輸出先導(dǎo)啟動信號給高壓組合變頻器，高壓組合變頻器接收到信號后開始啟動，從回路跟隨主回路運行，主從回路從0Hz 逐漸加速，加減速時間0～1800秒可調(diào)，現(xiàn)場根據(jù)負(fù)載的狀況設(shè)定適宜的加減速時間。低速檢修模式：高壓組合變頻器具有低速檢修模式，低速檢修模式就可以根據(jù)設(shè)置的任意速度來運行，利于平時檢修和節(jié)能。停止和急停：正常停止過程為控制臺輸出的運行（開關(guān)量）信號斷開，高壓組合變頻器收到停止信號后變頻器停止輸出。緊急狀況下按下高壓組合變頻器上的急停按鈕或控制臺發(fā)出急停信號（或高壓組合變頻器自身檢測到的短路、超頻等故障信息），高壓組合變頻器立即停止輸出，并在顯示屏上顯示故障信息。（11）近控與遠程控制功能。近控控制模式：通過變頻器自帶的操作鍵盤進行啟停控制；遠程控制模式：利用遠程啟停信號進行控制。遠程控制具有二線式本安先導(dǎo)控制功能，可與國產(chǎn)或歐式控制設(shè)備直接接口。

4 高壓集成變頻裝置技術(shù)特點

（1）設(shè)備配置數(shù)量少，占用空間小，減少工作面列車長度，方便安裝、移動和維護；（2）起動特性好，初始轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩上限最大可設(shè)置為電機額定轉(zhuǎn)矩的220%。刮板輸送機兩個變頻回路之間采用高速CAN總線通訊，兩臺電機出力始終保持一致。（3）保護速度快、斷鏈保護齊全，根據(jù)鏈條強度設(shè)置最大轉(zhuǎn)矩保護，減少斷鏈的發(fā)生，最大轉(zhuǎn)矩限制值通過參數(shù)頁面設(shè)定。設(shè)備存儲了歷史斷鏈的數(shù)據(jù)曲線，當(dāng)檢測到符合斷鏈特征的電壓、電流波動情況時，實施斷鏈保護，降低斷鏈的幾率，減輕修復(fù)時的工作量。（4）易維護，相比CST、液力耦合器，高壓變頻器無需定期的維護；高壓集成變頻裝置配置了液晶顯示屏，數(shù)據(jù)顯示直觀，故障信息及排除故障的引導(dǎo)步驟清晰，易操作；（5）操作簡單，高壓集成變頻器系統(tǒng)連接至操作臺，所有控制操作在操作臺上進行，簡便易行；實現(xiàn)正反向起動，在控制臺上就可實現(xiàn)。（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高，高壓集成變頻器采用交直交電壓源型結(jié)構(gòu)，提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)；替代CST，采用直接對輪連接減少設(shè)備安裝空間；消除了液力耦合器（或CST）的機械磨損。

參考文獻：

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