3.3 kV大功率高壓變頻“一拖二”控制技術在綜放面重型刮板輸送機上的應用

葉志勇 孟國勝

(1.大同煤礦集團有限責任公司同發東周窯煤業有限公司，山西省大同市，037003；2.大同煤礦集團有限責任公司生產技術處，山西省大同市，037003)

前后兩部刮板輸送機能否快速平穩啟動、均衡調速以及平穩運行是綜放面能否高產高效的重要保障，而合理的驅動控制技術是重型刮板輸送機能否平穩啟動、均衡調速以及平穩運行的關鍵。目前，隨著煤礦生產現場對刮板輸送機電動機啟動與調速性能要求的不斷提高，生產設備單機功率不斷增大，高電壓、大功率變頻技術已逐漸成為刮板輸送機等重型機械設備驅動裝置的最佳選擇。

本文針對同發東周窯煤業綜放面的實際情況，從CST驅動技術存在的調速精度較低、范圍窄、驅動環節較多、傳動效率不高等問題入手研究，在分析刮板輸送機啟動特性的基礎上，引進BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高壓變頻器拖動2×1000 kW前后兩部刮板輸送機高壓變頻“一拖二”控制技術，并在C5#層8100綜放面成功應用，徹底解決綜放重載等條件下兩部刮板機啟動難、多機驅動不平衡等問題，確保兩部刮板輸送機快速平穩啟動、均衡調速和平穩運行。

1 工程背景

同發東周窯煤業C5#煤層8100綜放面配套SGZ1000/2×1000型前部和SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機，兩部刮板輸送機的裝機功率均為2×1000 kW，電壓等級為3.3 kV，屬大功率重型設備。前部刮板輸送機運輸能力為2500 t/h，槽寬為1000 mm，鏈速為1.34 m/s，鋪設長度為220 m，雙機拖動；后部刮板輸送機運輸能力為3000 t/h，槽寬為1200 mm，鏈速為1.34 m/s，鋪設長度為220 m，雙機拖動。

由于礦井開采地質條件復雜，工作面斷層帶較多，陷落柱及煌斑巖入侵較頻繁，含矸率為50%左右。在采放同時作業時，工作面前后兩部刮板輸送機運輸煤(矸)量極不均勻，極易造成前后兩部刮板輸送機功率不平衡。從多年的生產實踐來看，7個綜放面刮板輸送機選用PF6系列機型(全部進口)，整機電動機與減速機之間采用CST可控軟啟動裝置連接，實現刮板輸送機軟啟、軟停和有限暫態控制，雖取得了較好的效果，但仍存在以下問題：

(1)啟動時間短以及啟動力矩大對設備沖擊較大，易造成刮板輸送機斷鏈事故。

(2)放煤含矸率較高，前后兩部刮板輸送機啟動時較難滿足重載(壓溜)下的要求，尤其后部刮板輸送機電動機極易出現“悶車”故障。

(3)由于電液系統較為復雜，因此檢修時間較長且維護工作量大，并對油液的清潔度要求較高，控制閥易因油液污染而出現故障。

(4)設備一旦出現損壞更換比較困難，額外增加工人的勞動強度等問題。

為了徹底解決上述存在問題，同發東周窯煤業根據實際情況，優化驅動方式，引進先進的大功率高壓變頻“一拖二”控制技術，實現了前后兩部刮板輸送機快速平穩啟動、均衡調速、平穩運行，確保了綜放面高產、高效以及安全生產。

2 3.3 kV大功率高壓變頻“一拖二”控制技術

2.1 刮板輸送機啟動特性分析

綜放面配套設備中，前部刮板輸送機裝煤量隨著采煤機的采煤速度和行進方向不斷變化，從空載到滿載甚至超載，持續時間無規律。由于同發東周窯煤業礦井屬石炭系，存在煤層放煤厚度大、賦存不穩定、含矸多等特殊條件，導致放煤量極不規律，造成后部刮板輸送機煤流量極不均勻且負荷不穩定，刮板輸送機在極不穩定的負荷狀態下，經常發生卡鏈、斷鏈和脫齒等故障，且經常在重載或超載下啟動。此外，大功率刮板輸送機普遍采用頭機和尾機的驅動方式，由于機頭和機尾驅動部電動機、鏈條等結構及運行方式的差異，導致雙機驅動系統中各電動機功率分配失衡和負載波動，這些都對電動機造成一定的損害，嚴重時甚至可能出現燒損電動機的情況。

2.2 刮板輸送機驅動方式比對分析

為了解決大功率刮板輸送機負載量大、運輸距離長、頻繁且多帶載啟動帶來的啟動、功率平衡以及過載保護等問題，可采用兩種解決方法：一是直接控制電動機的啟動速度，達到軟啟動方式，即高壓變頻器驅動方式；二是不直接啟動負載，而是先使電動機在空載狀態下啟動，達到額定轉速后，再慢慢接入負載，轉入正常運行，即CST軟啟動方式。兩種驅動技術優劣各異，需根據礦井實際現場開采條件，各自顯現其優勢。從調速性能、啟動性能、調速范圍、傳動效率、性價比、礦建工程、設備維修、節能效果等方面對變頻技術和CST技術進行綜合比對分析，優劣比較分析如下：

(1)調速性能比較。變頻啟動特性突出特點是通過改變電源頻率實現刮板輸送機軟啟動、軟停車和過程控制，可根據刮板輸送機負荷情況實現無極調速。CST驅動技術不能實現刮板輸送機的過程控制。

(2)啟動性能比較。變頻技術啟動力矩較大且啟動平穩，可實現刮板輸送機零速滿轉矩啟動，對刮板輸送機鏈條沖擊力小，能夠延長鏈條的使用壽命；變頻技術啟動可以在短時間內對刮板輸送機進行多次重復啟動；CST驅動電動機不能頻繁啟動，啟動時加速度較大，存在瞬時加速度極大值現象，啟動時間較短以及啟動電流較大對鏈條有較大沖擊力，易造成刮板輸送機斷鏈事故。

(3)調速范圍比較。變頻技術調速范圍較廣，在0～100%范圍內，都能實現調速功能，且在整個調速范圍內都具有較高的傳動效率；而CST驅動技術調速范圍較窄，一般為30%～70%。

(4)傳動效率比較。變頻技術傳動效率較高，可達96%以上；CST驅動技術傳動效率約在90%左右。

(5)性價比方面比較。變頻驅動設備初期投資較大，但后期回報率較高。變頻驅動設備采用模塊化設計，因此更換方便且性價比較高；CST驅動設備價格昂貴，初期投資成本較高，后期回報率較低。

(6)設備維修方面比較。變頻驅動技術可靠性能較高，基本無故障，免維修；CST驅動技術的電液系統較為復雜，結構龐大，維修量較大。

(7)初次安裝礦建工程比較。變頻驅動設備占地面積較小，井下礦建工程量較小；CST驅動設備的電液系統占地面積較大，井下礦建工程量較大。

(8)節能效果比較。變頻驅動技術節能效果明顯，CST驅動技術基本無節能功效。

綜合比較可以得出，變頻技術比CST技術更優，能解決前期同發東周窯煤業綜放面采用CST技術存在的調速精度較低、范圍窄及驅動環節較多、傳動效率不高等問題，因此選擇高壓變頻技術。

2.3 高壓變頻“一拖二”控制技術

2.3.1 工作原理

高壓變頻是將電壓和頻率固定不變的交流電利用電力半導體通斷作用變成電壓和頻率都可調的交流電源，變頻器對輸入電壓進行變頻輸出控制，由變頻器輸出可控電壓，從而實現電動機的調速控制。

在電動機啟動過程中，電動機和負載直接接觸，通過改變頻率實現電動機轉速由0 Hz可控增加，隨著鏈條間隙逐步消除，將轉化載荷加載到電動機上，在刮板輸送機運行過程中，依靠變頻器對設定的電流差進行反饋控制，根據負載及時調整速度，實現負載平衡，并在刮板輸送機與變頻電動機之間安裝摩擦限矩器，實現由于傳動尖峰轉矩引起的快過載保護，電動機通過自帶的過熱和過流保護實現慢過載保護。采用變頻技術有以下明顯優勢：

(1)具有過載、短路、斷鏈、堵轉、欠電壓、過電壓、過熱、缺相、漏電、接地等保護功能。

(2)具有啟動轉矩大、啟停平穩等特點，能實現交流異步電動機在各種負載情況下的重載軟啟動、調速、停車等功能，徹底消除機械及電氣沖擊，延長設備使用壽命。

(3)可進行“一拖二”變頻器控制模式，各變頻器之間自動調節輸出轉矩，實現多臺設備之間的動態功率平衡，同時降低使用成本。

(4)配備10.4 吋的液晶顯示屏使得顯示更加直觀。

(5)直接轉矩控制功能強大，最大可實現2.2 倍額定啟動轉矩，實現啟動和運行的轉矩保護，確保平穩運行。

(6)具備輸出濾波單元，適用于普通異步電機的驅動控制，應用范圍廣。

(7)功率器件采用IGCT，采用去離子水冷卻系統冷卻，冷卻效率高。

2.3.2 變頻器主要結構及參數

BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高壓變頻器的外形為長筒型長方體，主要由整流單元、濾波單元、逆變單元、水冷單元以及低壓控制單元五大部分組成。變頻器主要技術參數如下：輸入參數中額定功率為2000(1400) kW，額定輸入電壓為2×3AC 1903 V, 額定輸入頻率為50 Hz, 相數為2×3；輸出參數中輸出電壓為0～3000 V ，輸出電流為0～406(290)A，輸出頻率范圍為5～50 Hz；工作制式為S1；本安參數U0為12 VDC，I0為1.3 A。變頻器的低壓控制部分主要布置在輸出端蓋上，動力電源的輸入以及負荷電纜的輸出均采用快速電纜連接器結構。電氣系統整體采用拓撲結構，拓撲結構圖如圖1所示。

(1)整流單元。變頻器通過三繞組變壓器獲得脈沖整流電源，通過整流單元進行整流，以減少變頻器對網側諧波的干擾，輸出電源電壓為1903 V，變壓器的每個副邊繞組的相位差為30°，直流回路電壓為兩路整流電源電壓的疊加。移動變電站的合閘必須由變頻器唯一控制，嚴禁手動直接對變頻器充電。整流單元結構圖如圖2所示。

圖1 變頻器電氣系統拓撲結構圖

1-冷卻水路；2-冷卻風機；3-整流二極管；4-吸收電容；5-保護IGCT圖2 整流單元結構圖

(2)三電平逆變單元。逆變器采用三電平控制技術，采用IGCT 作為開關元器件，配合LC 低通濾波器使用可以降低逆變器開關時對電機輸出的高次諧波。

(3)保護IGCT(無熔斷器設計)。變頻系統使用最新的功率半導體開關器件IGCT 作為主電路保護器件。不同于傳統的熔斷器，位于整流器和直流回路之間的 IGCT 可以直接把逆變器和主電源隔離，且分斷時間為25 μs，比傳統的熔斷器快1000 倍。使用IGCT 作為傳動系統的保護設備，使得傳動系統的元器件數目更少，從而使變頻器具有更卓越的可靠性。

(4)輸出正弦波濾波器。變頻器標配的低通LC 濾波器可以減小輸出電壓中的諧波含量。采用LC濾波器之后，輸送給電機的電壓波形為正弦波，消除了電機軸承中存在的容性耦合高頻電流，并消除了共模電壓的影響。濾波器單元結構圖如圖3所示。

1-輸出電抗器；2-電流傳感器；3-電容器圖3 濾波器單元結構圖

2.3.3 高壓變頻“一拖二”控制技術

高壓變頻“一拖二”控制技術是將10 kV高壓經過移相變壓器降為1.915 kV電壓進行疊加輸入到變頻器，變頻器對輸入電壓進行變頻輸出控制，由變頻器輸出電壓為0～3.3 kV、頻率為5～50 Hz的可調控電壓，實現調速控制，可調控電壓分支2個500 A接觸器，分別去控制刮板輸送機機頭和機尾的電動機，實現“一拖二”控制，同時為了確保控制線路的供電穩定可靠，設計時增加1臺備用移相變壓器。變頻“一拖二”控制技術原理圖如圖4所示。

變頻器通過軟件參數設置，可以實現變頻器單機“一拖二”的工作模式。變頻器只能在停機狀態下修改參數，變頻器本安鍵盤與變頻器內部顯示設定鍵盤一一對應，按照正確的按鍵對應關系輸入變頻器設置密碼進入通用參數設置界面，按下“上翻”或者“下翻”按鍵，可以分別選擇參數設置選項設置參數以及選擇“一拖二”控制方式，同時也可以設置相應的其它參數。

圖4 變頻“一拖二”控制技術原理圖

BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高壓變頻器支持遠控和近控兩種模式。遠控模式通過外部遠程控制器的先導啟停信號實現變頻器啟動與停止；近控模式通過變頻器鍵盤按鍵實現啟動與停止。“一拖二”控制在近控模式下實現，通過參數設置進入工作界面。“一拖二”控制通過不同按鍵對應實現不同的功能，進而實現對前后兩部刮板輸送機運行的有效控制，主要有以下4種控制方式：

(1)通過“組合+機頭吸合”按鍵實現刮板輸送機機頭電機接觸器吸合，變頻器急停狀態下有效“一拖二”。

(2)通過“組合+機頭分斷”按鍵實現刮板輸送機機頭電機接觸器分斷，變頻器急停狀態下有效“一拖二”。

(3)通過“組合+機尾吸合”按鍵實現刮板輸送機機尾電機接觸器吸合，變頻器急停狀態下有效“一拖二”。

(4)通過“組合+機尾分斷”按鍵實現刮板輸送機機尾電機接觸器分斷，變頻器急停狀態下有效“一拖二”。

系統軟件自帶主要參數實時曲線查詢功能，對“一拖二”控制下各種參數實時趨勢進行動態監測，發現異常時可及時回到變頻器設置頁面調整設置參數，確保變頻器正常運行。

3 工程應用

將3.3 kV高壓變頻“一拖二”控制技術在同發東周窯煤業C5#煤層8100綜放面(配套SGZ1000/2×1000型前部和SGZ1200/2×1000型后部刮板輸送機)進行工程應用，經生產實踐證明，控制效果較好，能夠實現前后部重型刮板輸送機平穩啟動、均衡調速、平穩運行，應用效果如下：

(1)3.3 kV高壓變頻“一拖二”控制技術經過現場使用，滿足了刮板輸送機軟啟動、調速或定速帶載運行、正常停機以及緊急停車等各種生產工況需求，能夠實現刮板輸送機的重載平滑啟動，消除了設備啟動時的機械與電氣沖擊，DTC(直接轉矩控制)技術很好地實現了生產現場刮板輸送機零速滿轉矩啟動，有效提高了刮板輸送機的開機率，確保了工作面安全高效生產，8100綜放面平均月產量達45萬t，取得了良好的社會效益和經濟效益。

(2)3.3 kV高壓變頻“一拖二”控制技術可以根據鏈條最小破斷力設定最大轉矩輸出值，對刮板輸送機鏈條起到了很好的保護作用，大大減少了刮板輸送機斷鏈現象的發生。通過5個多月事故統計，刮板輸送機斷鏈故障大幅下降約40%～50%，綜放面刮板輸送機鏈條更換頻率和維修工作量明顯降低，維護成本下降50%，同時減少了工人勞動強度，極大地提高了生產效率。

(3)在C5#煤層8100綜放面生產過程中，通過對變頻器隨機進行檢查和測算，其保護性能、運行參數等各項技術性能指標全部符合設備標準要求，節能效果明顯，達到了30%以上。1個生產班的兩部刮板輸送機節約有功功率約為1000 kW。按照日工作時間16 h、生產市場電價1.1元/kWh計算，1個生產班節約電費約為1.76萬元，連續生產5個多月節約電費約為264萬元，降本增效顯著。

(4)BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高壓變頻器連續生產5個多月未出現任何機械和電氣故障，運行狀況良好。

(5)采用變頻器“一拖二”驅動方式只需要采購1臺BPJV1-2000(1400)/3.3型大功率高壓變頻器和1臺KBSGZT-2500/2×1.9變頻整流移動變電站，投資約為675萬元。相比以往采用CST驅動技術(需配套1臺KBSG-2500/3.3型移動變電站和1臺3.3 kV四組合開關)投資約為935萬元，采用變頻器驅動技術設備采購成本降低約為30%，投資更為經濟合理。