高压变频器在煤矿皮带输送系统中的应用

1 引言  
     在煤矿上，运输系统主要由皮带机、刮板输送机和提升机组成，而在数量上以皮带机为主。以往为了实现皮带的软启动，需要使用液力耦合器或者液力软启动器，这类液力传动设备维护工作量大，能耗高，在机械上产生剧烈冲击，加速机械的磨损；还有皮带、液力耦合器的磨损和维护等问题都会给企业带来很大数额的费用问题，已越来越不能满足用户的要求。随着高压变频技术的不断进步和完善，其应用范围越来越广泛。对煤矿企业的皮带输送机进行变频改造对节约社会能源、增加煤矿企业的经济效益都具有非常现实的经济和社会意义。
2皮带机系统基本组成
    皮带机广泛应用于矿山、冶金、煤炭等部门，是煤矿的关键设备，它肩负着矿井上下输送松散物料或成件物品的重任。根据输送工艺要求，可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要。以两台电机的皮带系统为例，如图1：其中（1）为两台电机在井上位置，（2）一台电机在井上，一台电机在井下。
 

皮带系统主要由以下几部分组成：
 （1）皮带机机头，是矿井的出煤口。皮带从井底拖运出来的煤经过机头位置时，自动被抛卸到矿井煤场。
 （2）卸完煤后的空皮带经过一个转向轮，分别通过1#电机拖动的主动滚筒，和2#电机拖动的从动滚筒后，皮带在经过一个导向轮运行到井底完成一次运煤过程。
 （3）在矿井的底部，装有皮带张紧系统，其主要作用是调节皮带的松紧程度，防止皮带过松导致的两台主动轮打滑现象或者重载溜车现象，以及皮带过紧导致的皮带异常损伤。
 （4）皮带机制动与逆止保护装置。皮带机除了变频器的保护系统外，还有自身的一些保护措施，如油压制动系统，逆止装置等。现场的油压制动系统在两台动力滚筒上各安装了一套油压刹车系统。在停车状态或故障状态下，两台油压刹车处于制动状态。正常生产时，刹车片处于松开状态。皮带机的逆止装置安装在减速器的低速轴上。皮带机出现重大故障，其它保护失效时，逆止装置通过机械力阻止重载皮带向下溜车。
3煤矿皮带机变频调速系统方案设计分析
    皮带系统中通常由1台或2台电机驱动皮带，但根据实际工况不同，也有3台甚至4台电机驱动皮带的情况，这样在变频调速改造中就面临多机驱动的问题。根据电机学原理，对于滑差0.01的电机，变频器输出频率相差0.2%时，将会导致约20%的输出转矩不平衡，在轻载时，变频器少量的输出频率差别，还会导致输出频率较低的变频器进入能量回馈状态，进而发生过压故障。因此一般需要采取有效的控制手段，平衡各电机出力。在实际应用中，根据现场工艺不同，可以选择不同的变频控制方案。
   3.1直接“一拖多”方案。
    此方案中，各电机定子绕组直接并联，统一由一台变频器驱动。由于仅采用1台变频器，此方案具有成本低，占地小的特点。
    此方案中，功率平衡尤为重要。当两台电机出力不均匀时，必将导致一台电机过载而另一台电机欠载，严重时会使过载的电机烧毁，甚至可能使变频器主回路的IGBT模块损坏变频器无法对各电机的转矩进行独立的控制。而各电机的出力由电机参数和皮带系统参数决定。其中，影响电机功率平衡的主要因素是电机的参数差异、电机动力滚筒的直径误差和皮带包络角差异。误差越大，系统中电机的功率差异就越大。在没有人为的设计差别的情况下，一般上述误差都是生产中的加工误差。
    电机动力滚筒的直径误差在初期生产中会引起电机功率误差，但由于皮带系统的物理特性，经过一段时间使用和磨损后，这一误差将逐渐减小。  
对于功率较小，电机数量较少（一般不超过3台），低成本应用场合，可以选择一拖多并联运行方案，这将大大降低变频调速系统的采购价格。
3.2多变频器协调控制方案
    对于需要主动进行各电机出力均衡控制的场合，可采用主-从控制方案。
    现场每台电机配置一台变频器，所有系统中的高压变频器由一台“协调控制系统”统一协调控制。该协调控制系统通过对各变频器反馈的电机运行状态，协调各变频器的运行指令，各变频器根据该指令对各自的电机进行独立的控制，使各电机转速相同、出力相同。控制过程如下：
    以其中的一台变频器为主机，其余的变频器为从机，对变频器的输出电流进行采样比较，通过改变从机的控制信号，使其始终跟随主机而变化。当从机的电流大于主机时，降低从机的给定信号，从而使从机的输出频率减小，电机转速降低，负荷减轻，电流变小；当从机的电流小于主机时，提高从机的给定信号，从而使从机的输出增大，电机转速升高，负荷加大，电流变大。最终使电机负荷基本一致，电流在允许的范围内。
4 皮带机电控系统的工作原理
    皮带机在井下并不是单独使用，往往是多部输送机一起工作，因此启动顺序必须是前一级设备启动后，下一级设备方可启动。在前级闭锁解除后，对皮带电控系统的各部状态进行检测判断，具备起车条件后，才能启动。皮带电控系统控制原理如图2所示。
 

（1）起车时，皮带电控首先对皮带系统传送过来的信号进行判断，如跑偏、堆煤、纵撕、急停闭锁等，若各信号正常才能进入下一程序；其次，根据皮带机头各传感器返回的信号检测制动闸及各开关状态是否正常；最后，判断皮带张力是否在允许启动范围内。
    （2）当皮带机各部分都处于正常状态，具备起车条件，才会发出启动信号。当发出起车指令后，变频器起动。操作台发出变频运行信号，变频器按操作台给定的运行信号输出频率和电压变化的电源，控制电机按给定的“S”形曲线软启。
    （3）与此同时，操作台发出指令使抱闸打开，并检测抱闸是否完全打开。若抱闸未打开或未完全打开，将关闭运行信号，同时给变频器抱闸信号使变频器急停，防止变频器因堵转而出现过流跳闸。
    （4）当皮带达到额定速度，电控系统实时检测皮带速度与滚筒速度，当二者速度差值超过规定值，紧急停车，并发出打滑报警信号。
    （5）系统实时检测电机温度、减速器温度、轴承温度、皮带张力、电机电流、抱闸状态、变频状态、PROMOS状态等，当任一项指标或状态不正常时，系统紧急停车并报警。
5“一拖多”方案应用案例
    山西康伟集团南山煤业有限公司位于沁源县城西北约32.5km，灵空山镇东南约2.5km的王庄村西，行政区划属灵空山镇管辖。矿井核定生产能力90万吨/年，井田面积8.1554km2，批准开采1-11号煤层，服务年限28.7年。矿井设计采用斜井开拓方式，综采采煤方法，全部垮落法顶板管理方式。全井田共划分为17个采区，煤层开采顺序采用下行式，即按照1号煤层、2号煤层→3号煤层→6号煤层→11号煤层顺序进行开采。
    南山煤矿矿井皮带有关参数：单程皮带长度1200m，皮带宽度1m。电机50Hz工频运行时，皮带最大速度为2m/s。矿井倾斜角度180。井口有两台电机同时运行拖动皮带系统工作，两台电机铭牌参数相同。
     井口两台电机铭牌中主要参数如表1所示。
 

       现场采用一套山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-710P高压变频调速系统，额定电压10kV，额定电流51A，额定功率710kW，采用“一拖二”控制方案，主回路控制接线如图3所示：
 

     现场采用一台710kW变频器同时拖动两台315kW电机，变频器检测2个部分的电流值：一个是变频器总的输出电流，另一个是1#电机的运行电流。这样，变频器就可以通过计算得到2#电机的运行电流，通过比较1#和2#电机的运行电流来调整变频器的输出，来平衡两台电机的功率。
    该变频器于2010年12月1日调试，模拟调试与操作台的对接信号正常后，进行带轻载联动调试正常。12月2日，设备进行上煤进行重负荷试验时出现1#与2#电机轻微偏流现象，通过调整1#电机导向轮来调整皮带包络角后，2台电机输出电流基本一致，并成功投产运行。该设备至今没有出现任何故障。
6多变频器协调控制方案应用案例
    通化矿业集团有限责任公司道清煤矿始建于1967年，地处长白山脚下、浑江之滨，位于白山市西部，与通化市接壤、与道清选煤厂毗邻；南北线公路、通浑铁路并肩从矿区“川”行；截止2006年末，矿区占有地质储量4580.4万吨，年生产能力75万吨。
    道清煤矿矿井皮带有关参数：单程皮带长度1200m，皮带宽度1.2m。电机50Hz工频运行时，皮带最大速度为2m/s。矿井倾斜角度25度。井口有两台电机同时运行拖动皮带系统工作，两台电机铭牌参数相同。
 井口两台电机铭牌中主要参数如表2所示。
 

      现场采用两套山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37-450P高压变频调速系统，额定电压6kV，额定电流54A，额定功率450kW，采用“一拖一”主从控制方案，主回路控制接线如图4所示。
 

对于两机驱动的皮带机变频控制，为了有效实现电机的负载平衡控制，高压变频调速系统适宜采用主-从方式进行控制。现场采用2台450kW变频器分别控制2台400kW高压电机，如图5所示，选用1#变频器为主变频器，2#变频器为从变频器，由操作台发给主变频器给定频率值，主从变频器之间采用ModBus总线通信，1#变频器作为主控，检测1#和2#电机的运行电流，发出输出转矩给定值，控制2#从变频调速系统同步运行。
 

    主控高压变频调速系统和从控高压变频调速系统均有外部信号连锁控制和状态、报警逻辑信号输出，主控高压变频调速系统接收本地或者远程的“启动”、“停机”和“紧急停机”指令，以及来自从控高压变频调速系统的“紧急停机”指令，从控高压变频调速系统接收来自主控高压变频调速系统的“启动”和“紧急停机”指令，同时接收从控高压变频调速系统本地或者远程联动的“紧急停机”指令。在两台高压变频调速系统的PLC逻辑程序中进行逻辑互锁，使得两台高压变频调速系统同时启动，同时停机。
 该套系统于2010年7月12日成功投运，至今运行正常，没有出现任何故障。
7采用高压变频器对皮带机进行驱动的优越性
 （1）真正实现皮带机软启动。通过电机慢速启动带动皮带机缓慢启动，将胶带内部贮存的能量缓慢释放，可将输送机启停时产生的冲击减至最小，几乎对胶带不造成损害；
 （2）降低胶带带强。由于变频器启动时间可以在1～3600s内调整，皮带机启动时间通常在60～120s内根据现场情况设定。启动时间延长大大降低对带强的要求，减少设备初期投资。实际应用中，由于降低了启动冲击，机械系统的损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒寿命大大延长；
 （3）实现皮带机多电机驱动时的转矩平衡。多电机驱动时采用主从或协调柜控制方式，实现转矩平衡；
 （4）验带功能。低速验带功能是皮带机检修的要求。变频调速系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下可调整0～100%额定带速范围内的任意带速；
 （5）平稳的重载启动。变频器低频运转可输出2.2倍额定力矩，适于重载启动；
 （6）自动调速。变频器配合煤流传感器可以根据负载轻重自动调节胶带速度，节电的同时还减少了胶带的磨损；
 （7）节能。对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大得多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可节约电能、降低皮带的磨损。
8 结束语
    山东新风光电子科技发展有限公司生产的皮带机专用高压变频调速系统在白山道清煤矿和长治南山煤矿的成功应用，完全可以验证风光牌高压变频调速系统可以实现皮带系统的“一拖多控制”及“主从控制”技术。实践证明，利用技术先进、成熟安全的高压变频调速系统可以全面实现高效调节现场工况，提高系统自动化程度，节约电能的目的。使用高压变频器可以大大降低现场维护量，带来可观的效益，切实响应国家节能降耗的号召，值得大力推广。
 
参考文献
 山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司。
 
作者简介：
 徐长海 男 技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司。