選煤廠皮帶運輸機變頻技術應用改造

(拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

目前，國內大多數選煤廠所用皮帶運輸機采用工頻拖動，受到長期工頻運行和液力耦合器效率影響，皮帶運輸機運行耗能較高[1-4]。皮帶運輸機采用工頻拖動時，皮帶運輸機的軟啟動通過液力耦合器的使用來實現，盡管采用了轉子串聯電阻降低了電機啟動力矩，但是電機啟動電流仍然較高，電機啟動沖擊劇烈，易造成機械磨損和損壞，且鑒于液力耦合器的磨損和維護費用較高，對于選煤廠綜合經濟效益的提升極為不利。另外，皮帶具有較高的儲能性能，在皮帶啟動和停止時均會儲存大量的彈性能，采用液力耦合器軟啟皮帶時，皮帶的彈性能釋放，與液力耦合器加載力相抗會造成電機在短時間內機械沖擊急劇上升，易造成電機沖擊損傷和發熱，尤其會造成多機驅動，同一皮帶出現功率不均和不同步現象，在此情況下，皮帶運輸機若處于下行運行時，速度難以控制，會出現飛車現象。因此，有必要采取相應的技術對工頻驅動皮帶方式進行優化，以提高皮帶運輸機的安全性能和降低耗能。

1 選煤廠皮帶運輸機控制現狀分析

選煤廠某皮帶運輸機水平剖面見圖1所示，該皮帶運輸機采用下行方式運行。對該皮帶運行進行分析可知：該皮帶運輸機由2臺電機，即皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2同軸連接，當皮帶運輸機工作時，2臺電機反向運行，如皮帶運輸機空轉時，皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別反轉和正轉，皮帶運行方式為下行運轉；皮帶在下行運行過程中，皮帶運輸機電機的輸出轉矩在液力耦合器作用下，皮帶運輸機驅動輪轂所受力矩與上層皮帶自重產生的力矩疊加，且所形成的疊加力矩與皮帶運輸機摩擦阻力力矩處于平衡狀態，此時皮帶不負載運行，皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別為反轉電動態和正轉電動態；當皮帶上煤呈帶負荷運轉時，負荷重力產生的力矩作用于皮帶運輸機驅動輪轂，此時驅動力矩超過摩擦阻力力矩，皮帶運輸機驅動輪轂加速運行，此時皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別處于反轉再生態和正轉再生態；皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2處于電動態時，電機輸出的電磁轉矩是電機轉子的驅動力矩，大量電能在電磁轉矩作用下輸出機械能驅動皮帶運輸機運轉；當皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2處于再生態時，電機轉子反向切割磁力線，電機輸出的電磁力矩相應轉變為電機轉子的制動力矩，電機轉子被皮帶運輸機帶負荷運轉時產生的合成力矩拖著超同步轉速進行運轉，皮帶運輸機輪轂上的機械能反饋給電網，此時電機受到沖擊較大，容易產生機械損傷和發熱。

圖1 皮帶運輸機水平剖面示意圖

2 皮帶運輸機變頻改造的必要性

變頻調速是通過采用變頻器為核心元件構成變頻調速系統，變頻調速的應用不僅可以提高設備自動化水平，還可大幅度降低設備能耗，目前變頻調速被認為是最有前景的調速方式之一。在設備調速方面，通過變頻調速技術的應用，僅需改變逆變管開關順序即可實現電機的正轉和反轉，可有效避免因換相不當引起的電機發熱和燒電機現象；且變頻調速從低速開始，頻率較低，加速和減速時間可以調節，啟動電流較小；變頻調速進行制動時，不僅可以將機械負載能量消耗在制動上，還可以通過增加附屬元件回饋給電網。另外，變頻調速節能效果好也是變頻調速技術逐漸廣泛應用的重要基礎，數據顯示，部分風機、泵類負載節能可達20%～60%，皮帶運輸機類低速運行設備采用變頻調速后節能較明顯。

變頻器驅動電機啟動可分為電動態、再生態和空載啟動，為避免皮帶運輸機電機和變頻器運行時出現過載，需要在變頻器驅動電機啟動前輸出零赫茲力矩電流，這樣可確保電機啟動時拖動系統速度為零，這樣可以實現變頻器輸出轉矩基本不變的情況下輸出頻率逐漸升高，進而實現電機的帶載啟動。通過對選煤廠下行皮帶運輸機運行分析可知，皮帶運輸機驅動電機啟動分為電動態、再生態和空載啟動，因此選用四象限能量回饋型變頻器對皮帶運輸機控制進行改造，該類型變頻器不僅具備普通變頻器的功能，還可以實現皮帶運輸機電機帶載和空載啟停時皮帶平穩啟啟動，避免電機損傷和皮帶跑車現象。

3 皮帶運輸機變頻改造

為了確保試驗皮帶運輸機電機能夠實現轉矩平衡，在對其進行控制改造時應采用2套變頻器進行聯合控制，在控制系統中2套變頻器的逆變器公用直流母線、整流/回饋裝置，其中一臺電機作為主動電機，另一臺作為聯動電機，即通過變頻器的使用可對皮帶運輸機電機的輸出轉矩進行檢測，確保四象限變頻器速度、轉矩同步，進而還可有效解決兩臺電機驅動皮帶運輸機產生的扭震和共振等問題。另外，在皮帶運輸機運行過程中，若出現輕負荷運行或者一臺變頻器出現故障不運行時，可由另一臺變頻器拖動皮帶，實現皮帶的正常運轉。通過采用四象限變頻器的應用，還可通過增加附屬原件使部分機械能反饋到電網進行重新利用，且反饋過程中因變頻器的應用對電機沖擊載和較小，不會對電機造成損傷，同時實現了皮帶運輸機電機的節能。但是附屬元件的投入資金相對較高，這部分能源節約成本回收周期相對較長；如若不考慮節能效果，可直接采用變頻器帶動單元來控制，即機械能通過制動單元和制動電阻進行消耗。在進行皮帶運輸機控制改造時，保留原有的工頻啟動柜，同時將液力耦合器效率調至最高，將工頻啟動柜作為控制系統的備用，一旦變頻控制出現故障時，可采用工頻啟動提高皮帶運輸機控制系統的應急能力。當皮帶運輸機控制系統改造調試結束后，在運行一段時間后未出現控制問題，可根據情況拆除液力耦合器，將皮帶運輸機轉軸直接連在電機上，最終完成皮帶運輸機的變頻技術改造。

4 結語

皮帶運輸機采用變頻技術改造后，不僅可徹底實現皮帶運輸機的軟啟和軟停，同時可有效杜絕皮帶運輸機在工頻控制下因速度控制不當易出現的飛車問題，大幅度提高了皮帶運輸機的控制能力和安全運行系數。通過四象限變頻器的應用，可通過增加附屬元件將部分機械能反饋給電網，實現電能的復用，降低皮帶運輸機能量消耗，實現節能降耗。另外，通過變頻技術改造避免了液力耦合器使用過程中出現的諸多問題，有效降低了設備的損壞率和維護費用，有利于提高選煤廠的綜合經濟效益。