雙機驅動皮帶輸送機驅動裝置設計

劉 飛

(陽煤一礦 機電工區，山西 陽泉 045008)

0 引言

帶式輸送機具有簡單的機械結構和可靠的大運輸量，在煤礦井下得到廣泛應用。由于煤礦運量日益增大，運煤行程較遠，且井下安裝空間狹小，傳統的帶式輸送機驅動能力日益不足，且其體積較大，不便于安裝，已經不能滿足生產部門的要求。因此本文設計了一種雙機驅動的大功率帶式輸送機驅動裝置。

1 帶式輸送機主電路原理和電器容量計算

圖1為本文設計的雙機驅動系統主電路原理示意圖，考慮到本系統的工作環境為煤礦井下，因此將所有的電氣部件置于一個防爆驅動柜中，這樣可以避免系統的輸入輸出電纜頭暴露在瓦斯氣體環境下，不會因電纜頭放電產生的電火花而引起爆炸，提高了系統的安全性。

圖1 雙機驅動系統主電路原理示意圖

驅動柜內的電氣部分可分為輸入電路、雙機組合變頻器、輸出電路和其他控制電路。輸入電路包括輸入濾波器和輸入電抗器。雙機組合變頻器是由兩臺同樣配置的變頻器組合而成，兩臺變頻器采用兩套控制電路，共用直流母線。輸出電路包括輸出電抗器和輸出濾波器。其他控制電路包括變頻器的輸出電壓、輸出電流、電機轉速的采樣電路、驅動開關管工作的驅動電路等。

本系統完整的電氣連接關系為：井下配電分站獲取電源后接入到隔離變壓器，經過隔離開關和真空接觸器連接到驅動柜，由驅動柜的輸出電纜連接到驅動電機。因此本文設計的雙機驅動系統容量計算包括變壓器容量、隔離開關容量、真空接觸器容量、變頻器容量、電抗器容量、濾波器容量、電機容量。井下配電分站的電源為1 140 V，帶式輸送機的額定功率為600 kW。

1.1 負載電機

帶式輸送機的額定功率為600 kW，那么兩臺電機的輸出功率SN應當不小于600 kW，由此可得:

(1)

其中：PM2為帶式輸送機的額定功率，kW；η1為電機的效率，本設計中取0.85；cosθ為電機的功率因數，本設計中取0.75。由此可得：SN≥941.2 kW。

兩臺電機的功率應不小于941 kW，因此取單臺電機的容量為500 kW。

1.2 變頻器

在恒定負載情況下，變頻器的容量與電機的容量存在下列關系：

SN1≥k·SN.

(2)

其中：k為變頻器的波形修正系數，一般取1.05～1.1；SN1為變頻器的額定容量。本設計中波形修正系數取1.1，顯然變頻器的容量應不小于550 kW，由于兩臺變頻器共用直流母線，因此整流電路的容量應不小于1 100 kW。

1.3 電抗器

電抗器的容量計算公式為：

(3)

其中：U為變頻器額定電壓，取1 140 V；I為變頻器的額定電流；f為變頻器的最大頻率；P為變頻器的額定功率，由上面計算得1 100 kW。計算得電抗器的取值范圍為75 μH～188 μH。整流器的功率是變頻器功率的二倍，因此取輸入電抗器的電抗為輸出電抗器電抗的二分之一。

1.4 濾波器

濾波器的作用為抑制電磁干擾，通常根據泄漏電流、額定電流、絕緣電阻和插入損耗確定，插入損耗和泄漏電流都是根據現場測試確定，本文的輸入、輸出額定電流分別為682.4 A和341.2 A。

1.5 真空接觸器

接觸器的電流應當不小于兩臺變頻器的額定電流之和，即682.4 A。

1.6 斷路器

斷路器的作用是當變頻器出現故障以后迅速切斷故障電流，防止事故進一步擴大。斷路器選擇的依據是額定工作電流、動作時間和切斷電流。額定工作電流的選擇公式為：

(4)

其中：Im為斷路器的額定電流；ρf為變頻器的輸入功率因數，根據輸入電抗不同稍微有些區別，有輸入電抗器的取0.85；η為變頻器的效率，約等于95%。經計算，斷路器的額定電流Im不小于787 A。

1.7 變壓器

變頻器的工作電壓為1 140 V，所以井下配電從站的電壓不能直接使用，需配置一個變壓器。在與變頻器配合使用時，一般變壓器的容量S(kVA)由下式計算：

(5)

通過計算可得變壓器容量不小于1 363 kVA，取變壓器容量為1 600 kVA，額定工作電壓為1 140 V，頻率為50 Hz。

2 控制電路設計

雙機驅動系統PLC控制原理圖如圖2所示。變頻器可選的控制方法有3種，即變頻器本身的外部端子控制、控制面板控制和通過PLC對變頻器控制。由于皮帶運行性能、運行參數和工作情況數據的采集和控制需要占用變頻器的端口和控制器資源，而變頻器本身的外部端子控制和控制面板控制無法滿足，且開發周期較長，成本高，因此本文采用PLC對變頻器進行控制，PLC的開發過程簡單，易于工程人員學習和維護。

圖2 雙機驅動系統PLC控制原理圖

本系統采用PLC控制，型號為S7-1200，除控制器外，PLC的外圍電路包括數字量模擬量輸入輸出模塊、變頻器通訊模塊和上位機操作界面。主控制電路的外圍電路包括模擬量輸入與A/D轉換電路、開關量輸入與光電隔離電路、狀態輸出電路、電壓電流轉速信號采集與D/A轉換電路、通訊電路等。主控制電路的控制電源來自于驅動柜三相電源中的兩相。

3 輔助電路設計

驅動柜的輔助電路有很多，大致分為電源電路、電機保護電路和驅動柜散熱電路。

圖3為驅動柜的電源示意圖。驅動柜輸入三相1 140 V交流電源給變頻器主電路供電。三相1 140 V交流電通過一個變壓器降壓為三相380 V交流電，給柜內風機供電。取1 140 V交流電的兩相，通過一個副邊三繞組變壓器分別輸出單相220 V交流電、單相127 V交流電和單相36 V交流電，分別給柜內開關電源、柜內照明和電機綜合保護器供電。開關電源將單相220 V交流電輸出為直流24 V和直流12 V，24 V給PLC相關設備供電，12 V給皮帶機各種傳感器供電。選擇24 V直流電源9 V為虛擬地，則可以得到一個-9 V電源和一個+15 V電源，可以作為開關管門極和源極的驅動電源。

圖3 驅動柜的電源示意圖

電機是皮帶機的動力來源和變頻器的控制對象，必須配置相應的保護電路。本系統電機配置了ZBQ-3TE微機綜合保護裝置，其電路原理圖如圖4所示。ZBQ-3TE微機綜合保護裝置適用于含有烈性氣體環境(甲烷、煤塵)的煤礦井下，能與交流50 Hz，電壓等級為380 V、660 V、1 140 V，電流最大可以達到400 A的各種型號低壓電磁啟動器配套使用，應用廣泛。本微機綜合保護裝置具有很豐富的保護功能，例如過載、速斷、欠壓、過壓、斷相、三相不平衡、漏電閉鎖、風電閉鎖等，能實現遠方/就地、單臺/聯臺的轉換操作，同時具有故障記憶、時間、遙控等擴展功能。

圖4 電機保護電路圖

驅動柜的散熱電路和溫度傳感器如圖5所示。三相電源通過接觸器給風機供電，如果環境溫度超過20 ℃，接觸器動作，風機開始工作；環境溫度低于20 ℃，接觸器斷開電源，達到節能的目的。

圖5 散熱電路和溫度傳感器

4 結論

本文設計了一種雙變頻器驅動的井下皮帶機驅動裝置，兩臺變頻器共用一臺整流裝置，集中于驅動柜中安裝，節省了設備安裝空間。采用PLC控制，實現了電機轉速同步控制，無論是變載還是變速系統均可以穩定運行。