變頻技術(shù)在煤礦井下膠帶運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

葉的旺

摘要:隨著采煤設(shè)備及采煤工藝的改進、原煤產(chǎn)量不斷提高,膠帶機運輸系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用,膠帶機控制系統(tǒng)是否優(yōu)越、可靠,從某種意義上說,決定了一個煤礦的生產(chǎn)能力大小和自動化程度的高低。該文就變頻技術(shù)在煤礦井下膠帶運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了具體的分析,具有一定借鑒意義!

關(guān)鍵詞:變頻技術(shù) 運輸膠帶機 改造應(yīng)用 節(jié)能降耗

0 引言

據(jù)統(tǒng)計全礦井運輸設(shè)備的總裝機負(fù)荷占礦井總負(fù)荷的1/4左右,而耗能占全礦井的1/3左右,是煤礦的耗能大戶,采用技術(shù)改造實現(xiàn)節(jié)能降耗在煤礦運輸系統(tǒng)將有比較大節(jié)能潛力,據(jù)綜合分析運輸設(shè)備采用變頻調(diào)速節(jié)能可達(dá)到20%~40%,具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 現(xiàn)行狀況

煤礦井下大部分運輸膠帶機均為直接啟動,由于起動時間短,對轉(zhuǎn)動部位和減速器沖擊較大,加快減速器齒輪磨損,縮短了機械設(shè)備的使用壽命,同時,由于直接啟動時電機啟動電流大,對電網(wǎng)造成較大程度的沖擊和影響。基于以上原因,對井下幾處膠帶機進行了技術(shù)改造,膠帶輸送機采用變頻驅(qū)動控制,實現(xiàn)全過程變頻調(diào)速。

2 變頻調(diào)速原理及主要實施方案

2.1 調(diào)速原理

三相異步電動機速度公式為:

式中:n——異步電動機的轉(zhuǎn)速

f——電網(wǎng)頻率

s——電動機轉(zhuǎn)差率

p——電動機極對數(shù)

由公式可知,轉(zhuǎn)速n與頻率f 成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速,當(dāng)頻率f 在0~50 Hz的范圍內(nèi)變化時,電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。膠帶輸送機采用變頻驅(qū)動控制,解決在皮帶機啟動過程中軟起動和大于額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍下的重載起動。減少對皮帶和電網(wǎng)的啟動沖擊;在輕載或空載運行時自動降低膠帶輸送機的運行速度,起到節(jié)電和減少對膠帶及托輥的機械磨損,并可配合膠帶張緊裝置完成膠帶輸送機在停電狀態(tài)下放松皮帶,減少皮帶的疲勞,增加皮帶的使用壽命。速度調(diào)節(jié)范圍0~120%。實現(xiàn)低速驗帶及檢修、高速運行等功能。解決多臺電機拖動之間的功率平衡問題。

2.1.1 ACS800變頻器 變頻器主要采用交-直-交方式,即先把工頻交流電源通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。ACS800 是新一代全數(shù)字中壓交流變頻器,能達(dá)到控制交流電機的完美極限。其主電路如圖1所示。

2.1.2 整流電路 變頻器由多個次級繞組的隔離變壓器供電,對于12脈沖方式,隔離變壓器有兩個次級繞組,一個為Y接法,另一個為Δ接法,兩個繞組間相位差為30度;當(dāng)選用24脈沖整流橋時,隔離變壓器需要四個次級繞組,繞組間相位差為15度。標(biāo)準(zhǔn)型ACS800采用12脈沖串聯(lián)連接的二極管輸入整流橋,輸入電壓和電流的諧波可限制在IEEE519-992和UKG.5/3所要求的范圍內(nèi),完全滿足電磁兼容的要求。

2.1.3 正弦濾波器 逆變器的輸出直接接到一組低通LC濾波器上,以消除逆變器輸出的高頻電壓成分。它大大減少了加到電動機的電壓諧波含量。標(biāo)準(zhǔn)的ACS800在其輸出部分配有一個有效的低通LC正弦波濾波器。選擇的低通頻率剛好低于逆變器輸出部分所使用的最低開關(guān)頻率。這就大大提高了施加到電動機上的電壓和電流的純度。

2.1.4 IGCT(Integraed Gate Commutated Thyristor)功率半導(dǎo)體器件 IGCT是ABB公司在IGBT和GTO成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上,專門為高壓大功率變頻器而設(shè)計的功率開關(guān)元件。它在GTO的基礎(chǔ)上,進行重新優(yōu)化設(shè)計。從圖2的IGCT結(jié)構(gòu)剖面圖中可以看到,IGCT具有透明的發(fā)射極和極薄的n基區(qū),并且將續(xù)流二極管集成在同一結(jié)構(gòu)中。

2.1.5 逆變器 逆變器采用獨特的電路結(jié)構(gòu)來保護,用兩只IGCT將輸入整流橋與整流母排和逆變器分開,而不需要傳統(tǒng)的快速熔斷器,這種結(jié)構(gòu)主要是因為IGCT導(dǎo)通損耗小且能快速關(guān)斷。

2.1.6 人機接口及通訊性能 ACS800具有多種串行通訊接口,可以與CDP312控制盤和PC機通信,也可以通過匹配不同的區(qū)域總線適配器與其它上位控制系統(tǒng)通信,以此完成操作、調(diào)試、診斷和控制的目的。 ACS800變頻器具有廣泛的通訊能力,通過選擇不同的區(qū)域總線適配器,變頻器可以與許多廠家的上位系統(tǒng)或PLC通訊。

2.1.7 參數(shù)和應(yīng)用宏 ACS800的設(shè)置和調(diào)整由改變參數(shù)值來實現(xiàn)。各參數(shù)很方便地安排進入相關(guān)組別。所有參數(shù)形成超過20個邏輯相關(guān)組。用戶首先調(diào)用所需改變的常用組,然后選擇特定的參數(shù)加以修改。參數(shù)值的輸入和顯示以它們相應(yīng)的工程單位(電壓、安裝、轉(zhuǎn)速等)或百分比值。這樣用戶對所做的調(diào)整總有直接的感覺。ACS800可用于許多不同的應(yīng)用場合。為了速度設(shè)置,它包含了多種預(yù)編程應(yīng)用宏。用戶可選擇取接近現(xiàn)有應(yīng)用要求的宏。應(yīng)用宏然后自動考慮輸入,輸出組態(tài)和信號處理參數(shù)的設(shè)置。如果設(shè)置結(jié)果不是完全滿足應(yīng)用的要求,用戶可以手動設(shè)置各個單獨的參數(shù)。

2.1.8 變頻器對電機及電路的保護、故障和報警功能 ACS800變頻器可與任何標(biāo)準(zhǔn)鼠籠感應(yīng)電動機配合使用,提供許多保護、故障和報警功能,包括:電機溫度監(jiān)測、電機失速、低電壓、電池狀態(tài)監(jiān)測、電機缺相、過壓、逆變器短路、通訊故障、欠載、過載、整流橋短路、充電故障、電源斷電、過流、測量丟失。

2.2 實施方案 主要工藝如下:

2.2.1 變頻驅(qū)動器將1140V工頻電源轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的變頻電源,供200KW膠帶驅(qū)動電機用。

2.2.2 TK200輸出變頻驅(qū)動器啟停和調(diào)速的開關(guān)量控制信號,控制變頻驅(qū)動器的啟動和加減速。

2.2.3 變頻器內(nèi)置控制器,可采集膠帶張力、皮帶機保護器故障信號等運行情況,根據(jù)設(shè)定參數(shù),對膠帶運行進行實時保護。

2.2.4 在機尾設(shè)置機尾加減速按鈕,操作人員可根據(jù)實際情況在機尾處調(diào)整膠帶運行速度,給生產(chǎn)提供了便利。

2.2.5 通過自帶水泵抽取冷卻水對變頻器散熱板進行循環(huán)水冷。

工藝原理如圖3所示。

3 改造后效果分析

改造后,膠帶變頻拖動比直接啟動方式有以下優(yōu)點:

3.1 啟動電流小,減輕了大功率電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊,同時也減小了對同電網(wǎng)中其他設(shè)備的影響;

3.2 起動、停止時間可調(diào),也就是說起動時的加速度和停車時的減速度可調(diào),使啟動和停車過程平穩(wěn),減輕了對機械傳動裝置的沖擊。

3.3 優(yōu)越的重載啟動性能,由于變頻器采用無速度傳感器矢量控制方式,低頻運轉(zhuǎn)可輸出1.5倍額定轉(zhuǎn)矩,膠帶機重載起動性能平穩(wěn)。

3.4 大大降低了能耗。①改造后可以根據(jù)膠帶機的負(fù)荷改變電源頻率來調(diào)節(jié)膠帶機的運行速度,提高有功功率,功率因數(shù)達(dá)0.9以上;②提高系統(tǒng)傳動效率,系統(tǒng)總的傳動效率比液力耦合器驅(qū)動的效率高5%～10%。

3.5 由于啟動、停止過程平穩(wěn),至少可降低30% 的膠帶張力。延長了膠帶使用壽命,降低了膠帶強度等級。