變頻技術在大唐塔山礦刮板輸送機上的應用研究

楊林彪

（同煤集團大唐塔山煤礦，山西 大同 037000）

同煤集團大唐塔山煤礦井下8222智能化綜采作業面的年產煤量約為1500萬t，采用刮板輸送機進行物料的輸送，其調速控制系統主要是以液力耦合器調速控制為主。在實際工作過程中由于綜采作業速度的差異性和裝料、卸料時沖擊的作用，導致井下刮板輸送機在運行過程中存在速度調節可靠性差、維護成本高的缺陷。因此塔山礦組織技術攻關團隊，對變頻調速控制方案進行了論證，最終確定采用高壓變頻控制器來對刮板輸送機進行控制，改造后省去了可靠性差的液力耦合器[1]，通過變頻調速控制的方案實現對刮板輸送機運行過程中平穩啟動和功率平衡的控制。目前以高壓變頻技術為基礎的刮板輸送機調速系統已在大唐塔山礦得到了廣泛的應用，取得了極好的效果。

1 高壓變頻控制系統結構及工作原理

通過對塔山礦井下刮板輸送機控制線路的分析，項目組最終決定采用3.3kV的高壓變頻控制系統作為刮板輸送機變頻控制的核心。該變頻控制系統的結構如圖1所示。

圖1 塔山礦刮板輸送機高壓變頻控制系統結構

由圖1可知，該高壓變頻控制系統主要包括主回路和控制回路。其主回路直接采用了井下10kV電路供電，通過變電站將其轉換為1900V的電壓，輸入到高壓變頻器內，用于控制刮板輸送機驅動電機的運行。系統的控制回路主要包括了地面監控中心、集中控制器以及輸送機系統運行狀態信號采集終端，在地面監控中心內需要至少設置4組監控顯示器，分別用于對系統運行過程中刮板輸送機的運行速度、電機電流、電壓、轉矩等進行實時監控。為了確保井下刮板輸送機運行控制的可靠性，集中控制器通過有線傳輸的方案實現對刮板輸送機和高壓變頻器之間的連接，控制刮板輸送機的啟動、停止以及護鎖功能[2]。

塔山礦井下的刮板輸送機采用了3臺驅動電機控制的方式，為了實現對3組驅動電機的均衡控制，高壓變頻器在工作時采用了主從配合控制的方式。首先將主驅動電機的控制變頻器設置為速度控制模式，將兩個從機選擇為轉矩控制模式，各從機變頻控制器首先從主機變頻控制器處接收轉矩變化信號，通過控制系統的分析后獲取其各自所對應的輸出轉速，從而確保刮板輸送機工作過程中3個電機工作的同步性，實現電機工作轉矩和負載的平衡。根據塔山礦井下刮板輸送機運行時3個電機的啟動方式，將位于機尾處的電機設置為主機，兩臺頭部處的電機設置為從機，3臺變頻控制器之間的數據通信采用CAN數據總線通信，確保信息傳輸過程中的精確性和穩定性。

2 刮板輸送機的轉差率保護控制

由于煤礦井下工作環境惡劣，大唐塔山礦井下刮板輸送機在運行過程中會經常出現卡鏈或者片幫現象，導致驅動電機會不定時的產生堵轉，電機在長時間的堵轉后會產生斷鏈或者燒毀現象，嚴重影響煤礦井下的正常物料運輸作業。根據對刮板輸送機運行過程中主驅動電機轉速和工作電流的實際監測，制定變頻控制系統中防止電機長時間堵轉的控制方案。刮板輸送機運行過程中實測的電流及轉矩變化情況如圖2所示。

圖2 刮板輸送機電流及轉矩變化曲線

根據分析，由于刮板輸送機采用的是1600kW的電機，其工作時的電流為333.5A，驅動電機在堵轉時候的電流約為額定工作電流的1.3倍，因此其工作時的堵轉電流約為433.55A。如圖2中的A點所示，當電機開始堵轉后，電機將轉變為恒功率運行的狀態，驅動電機的負載電流逐漸上升，電機工作時的轉速逐漸下降。

為了確保變頻控制過程中刮板輸送機驅動電機的運行安全，在該變頻控制系統中采用了轉差率[3]保護。設定當電機的轉差率大于30%、持續時間大于3s后即判斷系統可能會導致電機燒毀、鏈傳動系統斷鏈，則系統就采取停機報警的措施。

3 高壓變頻器冷卻系統的設計

刮板輸送機高壓變頻器在工作過程中會產生大量的熱量，因此為了確保高壓變頻器持續工作時的穩定性，采取了在高壓變頻器內部設置冷卻系統的方案[4]。其整體結構如圖3所示。

圖3 高壓變頻冷卻系統結構示意圖

由圖3可知，該系統在高壓變頻器的散熱系統中含有去離子水，其在高壓變頻器內部的循環主要是通過循環泵帶動的方式進行。在循環過程中將變頻器內部的熱量帶走，并傳遞給外部冷卻水系統，達到散熱的目的。為了確保冷卻水系統工作時的可靠性，在外部的冷卻水管路上還設置有各類控制開關，通過系數控制中心，根據高壓變頻器的工作情況自動完成啟閉，確保高壓變頻器處于恒溫工況下工作。

4 結論

該高壓變頻器控制系統在大唐塔山礦應用以來，截至2019年5月1日，已在井下8222智能化綜采作面完成了推進1277m，開采煤炭約367萬t，平均每天產煤量約為4.5萬t。目前該方案已在同煤集團其他兄弟煤礦進行了推廣，在工作過程中表現出了調速性能好、啟動轉矩高的優點，有效地提升了控制系統工作時的穩定性和安全性。