10 kV高壓防爆變頻技術在大傾角帶式輸送機中的應用

王文州

(河南能源焦煤公司 趙固二礦， 河南 焦作 454000)

0 引言

趙固二礦隸屬于河南能源焦煤公司，于2011年寶鋼參股投資建成投產,其設計生產能力為1.80 Mt/a，服務年限55.5a，采用一次采全高放頂煤開采工藝。西大巷帶式輸送機型號為DTL140/300/3x710，設計長度2 km，帶寬1.4 m，帶速4 m/s，傾角11.6°，輸送能力3 000 t/h，使用ST3150型阻燃鋼絲繩芯輸送帶。其4臺電動機功率為710 kW(佳木斯電機廠生產)。驅動方式為高壓斷路器柜+高壓(10 kV)電動機+液力偶合器+減速機形式，前后左右雙列雙排對稱布置，其中后右側驅動未投用。設計使用德國福伊特(VOITH)液力偶合器實現軟啟、軟停。進線電源電壓：10 kV；電壓波動范圍：-20%～+10%；電源頻率：50 Hz。控制方式：采用天津華寧KTC101控制箱。總體布置如圖1所示。

圖1 西膠帶大巷輸送機驅動部布置

該變頻技術在實際運行過程中,由于液力偶合器的啟動電流過大，使電動機經常出現故障。

1 技術改造方案的分析

帶式輸送機的工作原理是帶式輸送機通過驅動輪轂，靠摩擦力牽引輸送帶運動，輸送帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。輸送帶是彈性儲能材料，在帶式輸送機停止和運行時都儲存著大量勢能，這就決定了帶式輸送機啟動時應該采用軟啟動的方式。國內大多數煤礦采用液力偶合器來實現帶式輸送機的軟啟動，在啟動時調整液力偶合器的機械效率為零，使電動機空載啟動。雖然采用了轉子串接電阻改善啟動轉矩和降壓空載啟動等方法，但電動機的啟動電流仍然很大，引起了電網電壓的劇烈波動，并造成電動機內部機械沖擊和發熱等現象。同時，采用液力偶合器軟啟動時，由于啟動時間短、加載力大,容易引起輸送帶斷裂和老化，要求輸送帶的強度高,加之液力偶合器長時間工作會引起其內部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況，不僅會加大維護難度和成本、污染了環境，而且會使多機驅動同一輸送帶時難以解決功率平均和同步問題。

為此經反復分析研究，決定以變頻技術進行改造,通過技術改造，帶式輸送機徹底實現了軟啟、軟停運行方式，帶式輸送機的運行更加穩定，這樣徹底避免了電動機因啟動的大電流而損壞,且系統的功率因數得到了提升，又節約了電力能源消耗。

2 高壓防爆變頻技術基本原理

本文主要采用BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置技術方案，如圖2所示。圖中1#、2#變頻裝置為BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置，基本尺寸約為4 500×1 400×1 600 mm，內部配有48脈沖移相整流變壓器和變頻器部分，其防爆高壓變頻器可直接接入10 kV電網，諧波非常小，電壓諧波失真率小于2%。每臺BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置，可以一拖二形式控制兩臺710 kW/10 kV電動機。在正常生產情況下，1#BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置驅動2臺電動機同時運行完全可以滿足生產的實際需要。這1#和2#防爆高壓變頻器可以互為備用，也可以根據情況選擇1#變頻器驅動電動機M1或M2，2#變頻器驅動電動機M3，實現電動機M1(M2 )與M3的主、從同步功率平衡運行。若今后擴容，生產產量增加時可由1#變頻驅動M1和M2，2#變頻驅動M3，實現3臺電動機同時運行，甚至可以由1#和2#變頻同時驅動4臺710 kW/10 kV電動機同時運行。

圖2 高壓防爆變頻控制原理

BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置是基于先進矢量控制技術的超低諧波高壓變頻器，可以滿足煤礦井下輸送設備10 kV防爆電動機的的調速軟啟軟停控制需要。該產品完全遵循最新國際標準和最新國家標準，主要元器件選用進口知名品牌，同時采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可實現低速大力矩，允許更高的過載和啟動力矩，轉矩響應快，是國內其他同類廠家所不能比擬的高壓變頻產品，具有磁通優化功能、比普通高壓變頻器更節能。高壓防爆變頻裝置根據負載的變化及電動機的性能，在拖動電動機運行時,可自動對電動機拖動系統進行磁通優化，并可將包括電動機和變頻器在內的電動機拖動系統的效率提高1%～10%，使用戶獲得更多的節能效益，且BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置具備超強的抗電網波動能力：10 kV(-25%～+15%)，48脈沖整流；諧波更小，抗電網波動能力更強。

3 高壓防爆變頻調速性能

1) 變頻調速系統根據集控箱控制系統發出的控制指令。通過對拖動帶式輸送機交流電動機的轉矩和頻率控制，來完成對帶式輸送機的啟動、加速、穩速、減速、停止、主從控制等運行過程的控制。交流異步電動機采用了高壓變頻控制技術后，使異步電動機的調速性能可以與直流電動機相媲美,表現在低頻轉矩大、調速平滑、調速范圍廣、精度高、節能明顯等。

2) 變頻器集控箱主要完成帶式輸送機從變頻啟動、加速、等速、減速、爬行到停車的整個過程的邏輯控制；對帶式輸送機進行主從控制；故障檢測、報警與保護等。集控系統極大地提高了控制系統本身的安全可靠性，使帶式輸送機控制性能和保護性能更加完善；使控制系統的硬件組成和線路更加簡化；操作和維護更加容易。

3) 可實現主從及功率平衡控制。即每臺電動機配置一臺高壓變頻器進行調速控制，負載較輕時可兩臺同步運行工況，通過參數設定，指定1臺或者2臺電動機作為主機，另1臺作為從機，來自集控系統的控制信號(包括啟動、停止、速度給定信號等)發送至主機變頻器，通過光纖通訊傳遞指令給從機，可保證在加速、減速的過程中，以及在負載突變時，保持電動機之間的速度同步和負載均勻分配，以實現功率平衡，任何從機停機故障，都及時主動向主機報告，主機隨后通知其他從機同步停機，保障整套系統運行安全。

4) 可實現軟啟軟停控制。采用S曲線啟停控制策略。啟動時，加速度由零逐漸上升到設定值；停機時，減速度由零設定值逐漸減小到零；S曲線柔性啟停功能使速度變化更加平緩，不會造成輸送帶張力的突變，使輸送機運行更加安全；降低了對輸送帶帶強的要求，延長了輸送帶的使用壽命；加速時間和減速時間可在4～3 600 s之間調整，同時可實現慢速反轉功能，方便現場更換輸送帶的作業。

5) 變頻器具有磁通優化功能，在輕載運行時，變頻器通過磁通優化算法，自動優化電機的磁場強度，降低激磁損耗，提高電動機運行效率，節約能源。運輸量較小時，可適當降低帶式輸送機的轉速，減少摩擦損耗，系統節能，從而提高設備使用壽命。

4 實施過程的問題分析

實施過程中，曾出現下列問題:

1) 功率組件溫升過快，導致系統故障。主要原因是設備本體現場溫度高沒有實現風冷轉換水冷進而實現冷卻變頻器的目標。尤其是循環泵故障和冷卻水硬化極易造成功率模塊溫升過快。趙固二礦夏季地表溫度35 ℃以上，將采用外冷卻裝置管連接到水倉低溫處安裝確保溫差。

2) 運行中過壓故障。主要原因是上限頻率過低，電動機電流過小被拖著轉，變成發電狀態。大傾角帶式輸送機落煤點分散,對上料造成邊坡點輸送帶松弛。

通過分析研究，將該變頻器的上限頻率調高的方法,盡量安排集中出煤或按照逆煤流方向上料。這樣便妥善解決了問題。

5 結論

1) 高壓變頻技術改造后,帶式輸送機徹底實現了軟啟、軟停運行方式，使帶式輸送機在工作中更加性能穩定。該系統的功率因數在整個過程可達0.95以上，大大節省了無功功率。采用變頻器驅動后，使系統總的傳遞效率要比液力偶合器驅動的系統效率高5%～10%。

2) 改造后系統可根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了電動機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源的消耗。比如，當帶式輸送機轉速運行在額定轉速的50%時，可節約大約50%的電能。

3) 高壓變頻器是微電子技術和電力電子技術相結合的技術，可以方便采用總線或以太網通信方式與煤礦管理系統連接實現遠控和數據遠傳，這是實現信息化智能化煤礦的基石。

總之，趙固二礦10 kV高壓防爆變頻技術改造安裝到位后，如期實現了安全高效平穩運轉,為類似條件的大傾角強力帶式輸送機設計選型提供了寶貴經驗。