四象限變頻器在煤礦下運帶式輸送機上的應用研究

宋建平

（西山煤電西曲礦掘進四隊， 山西 古交 030200）

引言

目前，礦井下帶式輸送機都是采用液力耦合器作為動力的傳動部件，使用工頻來進行拖動。但是這樣的組合能量利用率比較低，并且在電機啟動瞬間的啟動電流比較大，各個傳動部件之間的存在沖擊力，同時當有多個電機驅動時無法實現功率平衡，導致系統耗能比較大，傳動部件磨損嚴重，維護成本比較高等。為了解決這一問題，某礦對驅動部件加入了變頻器，在啟動時有效的降低了啟動電流，當有多臺電機同時驅動時能夠做到功率平衡，有效地節約了礦井的電力資源[1]。

1 變頻器工作原理

1.1 四象限變頻器能量回饋原理

一般用到的變頻器稱之兩相限變頻器，其工作原理是采用由二極管組成的整流橋將交流電整成直流電，然后再利用IGBT的快速通斷將整流后的直流電再次轉變為交流電，但這次的交流電是電壓和頻率都可以調節的交流電，通過他來控制交流電機就可以實現無級變速。但是這種變頻器控制的電動機只能工作在將動力輸出的狀態。其更本原因就是由于整流的二極管整流橋具有單向導通的特點，所以無法將電動機產生的電能反向運輸流到供電網絡中。礦井下經常有一些電機能夠產生電能的場景，比如說提升機下下來時，帶式輸送機上的物料由高向低運輸時都會產生電能，目前常采用的辦法是利用電阻來消耗產生的能量。這樣做在一定程度上造成了電能資源的浪費。所以我們通過在IGBT模塊里集成續流二極管[2]，這樣便可以實現能量的雙向流動，將電機被動轉動時產生的電能運輸到電網，以實現節能的目的。圖1為四象限變頻器的拓撲結構。

圖1 四象限變頻器拓撲結構

當帶式輸送機負載的轉速超過變頻器輸出給電機的轉速時，為了使負載的速度趨于穩定起到制動作用，這時的變頻器必須要向電機輸出一個轉動方向相反的力矩來提供制動所需的力。這個時候電動機由于被動轉動所以此時正處于發電狀態，而產生的電能通過變頻器直流部分的電路，然后通過IGBT將這些能量反方向調制為交流電然后輸送給供電網絡。這整個過程便是一個將帶式輸送機的動能轉化為電能的過程。

表1所示為某型號變頻器在某礦試用3個月后的統計情況[3]，從表中我們能夠看出四象限變頻器所帶來的經濟效益。

表1 四象限變頻器在某煤礦電能產出統計表

1.2 礦井多機動態功率平衡原理

有時1臺電機的驅動力不足以驅動整條皮帶，所以需要用多臺電機來實現驅動，這時便需要配套的多臺變頻器。而為了使每臺電機的輸出動力相等就要使每臺變頻器的輸出功率相等或者是達到一個平衡狀態。如下頁圖2所示：1號電機為主電機，而其他的電機為從電機，在此基礎上來實現功率平衡。電機通過變頻器來進行直接轉矩控制，而后面的從機可以根據轉矩的大小來實現功率平衡。1號主電機根據皮帶是否驗帶來計算需要運行的頻率輸出，而從電機根據主電機的輸出頻率來確定自己的運行頻率，但這個頻率不能偏差太大[4]。當運行頻率不在這個范圍內時說明出現故障，這個時候需要立即停車檢查。為了使帶式輸送機運行狀態更加平穩，我們需要在各個環節比如啟動、停車、恒速時所有的從機輸出頻率都要以主機為參考點來不斷地調整。這樣布置的優點是當有1臺電機或者是變頻器出現故障時，其他各臺能夠及時地調整輸出，從系統軟件里自動屏蔽故障電機，從而達到維持速度的穩定，這就能夠最大限度地維持礦井生產的穩定。

圖2 帶式輸送機主從驅動示意圖

2 變頻驅動技術應用分析

變頻器就是利用電子元器件將不可控制的交流電經過變化后變為可以控制的交流電，從而實現對電機轉速的驅動，達到無級變速的目的。同時也可以將機械沖擊等減小。通過變頻器還可以根據實際的工作情況隨時的變化電機的驅動速度以達到節能的目的。使用變頻器主要有以下四個優勢：第一可以隨時隨地控制速度，同時有效地減小能量的損耗。第二能量的傳遞比較直接，可以有效地降低設備出現故障的頻率，增加系統的穩定可靠性。第三在維護方面也比較簡單。第四工作效率高，相比于軟起有巨大的優勢[5]。

變頻器驅動不論是在驅動速度方面還是驅動效率或者是實現功率平衡方面都要比傳統的用于調速的液力藕合器強很多。除此之外變頻器技術在帶式輸送機的保護方面還有很多優點，比如說皮帶的斷帶停機、安全性等方面都是傳統的軟起方式無法比擬的，最主要的是在工作效率上能夠獲得極大的提升。

3 應用實例

某礦采用的帶式輸送機輸送能力是2 000 t/h，總的輸送帶長度為1 600 m，水平傾斜角為向下的10°～12°，垂直提升的高度在54 m左右，并且是一條下運式帶式輸送機[6]。

在對帶式輸送機進行驅動部分電氣改造時，采用變頻器來驅動電機，將機頭部位的電機設置為主電機，其他部分的電機為從電機。經過嚴格的計算后確定驅動方式為兩驅，每臺電機的功率為500 kW同樣每臺變頻器也采用500 kW的四象限變頻器。圖3所示關鍵部件包括組合開關、保護系統、減速油泵、電機降溫風機等一系列設備。

圖3 帶式輸送機供電系統

本系統由于采用兩驅的方式所以這里設置1號變頻器為主機，2號變頻器為從機。主機是整個系統運行控制的核心，所有的控制命令只需要下達給主機便可以實現功能，包括帶式輸送機的啟停、對帶式輸送機的速度控制、對膠帶的張緊等復雜操作。主機除了要對1號電機進行控制外還要對其他部件進行控制比如說電機冷卻用的風機、減速箱冷卻風機等一系列配套設備。同時必要時對張緊裝置進行控制驅動。而從動的變頻器需要根據主機的工作情況進行實時的調整，以及對附屬部件比如外部循環的冷卻水、減速箱風機等設備進行控制。在整個運行的過程中設備之間都是通過CAN總線進行通信的。

4 結語

該煤礦運用的象限變頻器對帶式輸送機進行改造后，解決了帶式輸送機在運輸物料過程中出現反向力的問題，能夠將電機產生的電能返回到供電網絡中，在一定程度上降低了電能的消耗，同時也解決了多個電機驅動時相互之間的功率平衡問題、液力耦合器在傳動時效率低下、機械沖擊比較大的問題，以及設備由于機械沖擊強烈而出現的降低壽命的問題，帶式輸送機運行更加平穩，在一定程度上降低了故障率。