煤礦帶式輸送機變頻調速系統應用研究

曹海龍

（山西晉神沙坪煤業有限公司，山西 河曲 036500）

皮帶運輸因其連續性和高效性在煤礦原煤運輸中被普遍采用[1-5]。在運輸過程中常規的皮帶輸出功率和運輸速度恒定，在空載、輕載時存在電力浪費，輸送機在空載啟動時要求電壓較高，對電網及其他機電設備運行造成影響，重載啟動時甚至出現難以啟動的現象。因此，目前煤礦多采用液力耦合器對皮帶進行軟啟動，基本解決皮帶運輸啟動困難問題。但使用液力耦合器存在易損壞設備、啟動電流沖擊大及多電機驅動功率不平衡等問題。

1 帶式輸送機的工作原理

帶式輸送機構成部件主要有電機、減速器、滾筒、皮帶、H 架，托輥及安全保護裝置，其驅動系統一般采用2 臺同功率電機同步驅動。一般電機轉速較高，需通過減速器將轉速調整至所需的皮帶傳送速度。減速器與皮帶驅動滾筒連接，皮帶通過張力與驅動滾筒形成靜摩擦力，啟動皮帶電機后，電機旋轉帶動減速器旋轉和變速，驅動滾筒旋轉時帶動皮帶運行以達到運輸的目的。帶式輸送機結構如圖1。

圖 1 帶式輸送機結構示意圖

2 液力耦合器的工作原理及存在的問題

（1）液力耦合器的工作原理

液力耦合器主要依靠聯軸器轉動實現對內部液體加壓驅動電機，因其內部的渦輪和泵輪之間平直排列的葉片相互間存在一定間隙，在運行過程中，通過渦輪帶動泵輪，泵輪帶動驅動輪，最終以調節液壓油體積比來實現對耦合器轉速、扭矩的改變，從而實現皮帶驅動滾筒的軟啟動。

（2）液力耦合器存在的問題

采用液力耦合器的皮帶電機雖然解決皮帶軟啟動問題，但因其工作原理的特殊性，導致液力耦合器電機運行存在以下幾個方面的問題：一是采用液力耦合器的帶式輸送機必須是空載啟動。因為采用液壓耦合器進行軟啟動時其啟動電流將是電機額定電流3～4 倍，其產生的較大電流除會對局部電網造成電壓下降，影響其他設備運轉外，還可能因瞬間產生強力沖擊對電機造成損壞，負載啟動情況更甚。二是不宜長時間運行。為滿足液力耦合器軟啟動功能，必須在液力耦合器內加入水電阻等軟啟動液體，但該液體會隨工作時間長而溫度升高，嚴重情況時會造成箱內易熔塞融化，導致箱體漏液，對環境造成污染，且增加維護難度，故采用液力耦合器的皮帶電機不宜長時間運行。三是易造成皮帶損壞。因為采用液力耦合器進行軟啟動時，會在很短的時間內完成對驅動滾筒加載，導致皮帶承受張力較大，如果皮帶強度不夠，可能會出現皮帶內鋼絲繩斷股、皮帶開裂甚至斷帶情況。四是多電機驅動的皮帶無法解決轉矩平衡。因煤礦井下皮帶運輸往往因運距較長、運輸能力大等原因采用多電機聯合運轉驅動，多個電機的液力耦合器會由于驅動能力不平衡導致局部電機負載過大的安全問題。

3 變頻調速的原理與方案確定

（1）變頻器的構成及工作原理

變頻器主要由變頻主體部分、濾波電容和其他輔助部件構成。變頻器主體部分主要負責調節電動機的速度，內含硅整流和 IGBT 功率器，其工作原理是將進入電機交流電通過整流轉為直流電，再經過變頻器的IGBT 功率器和濾波電容整流將直流電轉換為較小電流的交流電，以較大轉矩和較小電流交流電啟動電機，從而實現變頻調速和軟啟動。變頻器整流線路圖如圖2。

圖2 變頻器整流線路圖

（2）變頻調速方案的確定

煤礦帶式輸送機根據工作面性質及運輸量可分為普通帶式輸送機和強力膠帶輸送機。普通帶式輸送機一般采用雙電機并聯驅動，強力膠帶輸送機一般采用2～3 臺電機聯合驅動，多臺電機聯合驅動過程中，可能存在電機啟動不同步或電機間啟動滑差造成輸出頻率不一致，進而出現各電機轉矩不一致，輕微情況導致出現軟啟動困難，嚴重情況則可能出現電機故障甚至燒毀電機情況。故需針對具體情況對各電機的轉矩進行平衡以實現變頻調速，確保各電機輸出頻率和轉矩一致來實現電機的正常軟啟動的同步變頻。針對不同情況可采取如下三種變頻調速方案。

方案一：針對要求電機輸出功率較小且驅動電機數量少的普通帶式輸送機，可采用一個變頻調速電機帶動普通電機的運行方案。該方案成本較低，但易出現電機啟動期間轉矩輸出不均衡情況，主驅動電機負載較高。

方案二：針對要求各電機輸出功率和轉矩一致且兩臺電機驅動的帶式輸送機，可采用主動+從動變頻調速的驅動控制方案。該方案可滿足各電機輸出功率和轉矩的平衡一致性，是較為經濟且簡單的變頻調速方式。

方案三：針對驅動電機數量較多，各電機間存在較大間距的強力膠帶運輸機（如上、下山，斜井運輸的強力膠帶運輸機）則需采取統一協調控制的復雜變頻調速方案。

針對以上三種變頻調速方案，結合沙坪煤礦實際情況，使用帶式輸送機數量最多的主要集中在掘進工作面和采煤工作面，而掘進工作面和采煤工作面多采用雙電機驅動，適用方案一和方案二。為充分滿足調速后的輸出功率和轉矩的平衡，則方案二為最優方案。故針對沙坪煤礦實際情況，選擇主動+從動變頻調速方案。

（3）主控+從控變頻調速原理及功能的實現

主控+從控變頻調速系統以一臺變頻器為主控輸出確定轉矩，從控變頻器根據主控變頻器給出的轉矩通過矢量控制算法與主控變頻器同步運行，實現同主控變頻器一致的電機轉矩，進而實現輸出功率的平衡性。主控+從控變頻調速系統結構如圖 3。

圖3 主控+從控變頻調速系統結構示意圖

如圖3 所示，將主控變頻器中的速度調節器調整在轉速給定值，由主控變壓器輸出電流、電壓檢測電機轉速觀測值，通過速度調節器給定轉矩，通過矢量控制算法輸出電壓至主控變頻器電機，同時將轉矩給定值傳輸至從控變頻器，從控變頻器根據矢量控制算法輸出電壓至從控變頻器的電機，因轉矩值有主控變頻器調節后傳給從控變頻器，故主控電機的輸出轉矩同從控電機輸出轉矩一致，保證輸出功率的一致性。

4 變頻調速系統產生的效果

采用變頻調速系統后，在皮帶開啟方面，通過調速系統使皮帶電機執行軟啟動，啟動電流較小，避免啟動時強電流對電網的沖擊，啟動緩慢而平穩，減少啟動沖擊力，大大降低電機內部構件和皮帶的損壞，延長設備使用壽命。在重載啟動方面，通過變頻驅動使運轉頻率降低以增大轉矩，進而可實現皮帶重載啟動，在實際應用中該功能產生的效果顯著。在對運行期間的皮帶調速方面，系統通過煤流傳感器的傳輸數據計算皮帶負載量對電機轉速進行自動調節，避免皮帶空載恒速運轉造成的電能浪費。

5 結語

通過對沙坪煤礦帶式輸送機采用變頻調速系統，解決采用液力耦合器出現的多電機輸出功率和轉矩不平衡及損壞設備等問題，提高了設備的使用壽命，減少了對皮帶的損害，可根據運輸煤量大小自動調整皮帶運行速度，為煤礦企業提高了經濟效益。