UP10變頻器在煤礦皮帶輸送機(jī)上的應(yīng)用

程寶平

（山西長治市應(yīng)用技術(shù)研究院，山西 長治 046011）

高平市姬家山煤礦斜井采用皮帶輸送機(jī)上行運煤，皮帶輸送機(jī)由一臺三相異步電動機(jī)通過液力耦合器及減速器同皮帶輸送機(jī)滾筒軸連接，采用手動開關(guān)運行方式。皮帶輸送機(jī)起動后電機(jī)恒速運行，皮帶的速度不能調(diào)整。由于皮帶輸送機(jī)電機(jī)長期工頻運行，不能軟起軟停、加之皮帶輸送機(jī)采用液力偶合器實現(xiàn)皮帶軟起動，使得電網(wǎng)電壓的波動劇烈，電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損大，設(shè)備的維護(hù)和維修工作量大、能耗高、費用大，另外針對皮帶輸送機(jī)起動時間短、加載力大而引起的皮帶易斷裂和老化情況，不得不選用強(qiáng)度很高的皮帶，導(dǎo)致成本加大。為提高皮帶輸送機(jī)運行效率、減少設(shè)備的維護(hù)和維修工作量，節(jié)約成本和能源，經(jīng)過市場調(diào)研及對多個改造方案的初期投入費用、維護(hù)費用相比較，決定采用變頻器對皮帶輸送機(jī)電動機(jī)進(jìn)行改造。

1 皮帶輸送機(jī)變頻改造前現(xiàn)場情況

1.1 現(xiàn)場基本情況

煤礦斜井長360m，提升垂直高度為135m，斜井的坡度為22°，運輸方式為上行運煤。改造前的拖動方式為電動機(jī)→液力偶合器→減速器→皮帶輸送機(jī)滾筒軸→皮帶，皮帶輸送機(jī)起動后電機(jī)工頻恒速運行，手動開關(guān)，皮帶的速度不能調(diào)整。

改造前皮帶輸送機(jī)電機(jī)及皮帶輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)：

電機(jī)型號：Y315S；額定功率：110kW；額定電壓：380V；額定電流：209A

額定轉(zhuǎn)速:960rpm；功率因數(shù)：cosφ=0.81；變頻范圍：10～50Hz

皮帶機(jī)型號：B650；帶速：1.5m/s；帶長：360m；帶寬：650mm

1.2 現(xiàn)場皮帶輸送機(jī)工作原理及存在問題

皮帶輸送機(jī)是通過電機(jī)驅(qū)動皮帶輸送機(jī)滾筒軸，靠摩擦牽引皮帶運動，而皮帶則通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。由于皮帶是彈性儲能材料，所以在皮帶輸送機(jī)停止和運行時皮帶儲存有大量勢能，因此皮帶輸送機(jī)起動時應(yīng)該采用軟起動的方法，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動過程中形成的張力波降到最小，幾乎不對皮帶造成損害。現(xiàn)場皮帶輸送機(jī)是通過采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的軟起動，并且在皮帶輸送機(jī)起動時調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載起動。該方法的缺點是，雖然采用了降壓空載起動，但電機(jī)的起動電流仍比較很大，達(dá)到400A 以上，這不僅引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)場皮帶輸送機(jī)電動機(jī)動態(tài)運行情況

現(xiàn)場皮帶輸送機(jī)采用的電動機(jī)是三相異步電動機(jī)。由于該皮帶輸送機(jī)是向上輸煤至地面，因此電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過減速器轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機(jī)驅(qū)動滾筒軸上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機(jī)驅(qū)動輪轂上的力矩合成。合成的驅(qū)動力矩與驅(qū)動輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡。皮帶輸送機(jī)空載運行時，其電機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動態(tài)，工作在第一象限；在皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動輪轂上，并使得驅(qū)動力矩逐漸增大；在驅(qū)動力矩超過摩擦阻力力矩后，驅(qū)動輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動，通過機(jī)械連接使得電機(jī)轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動，其速度將超過同步轉(zhuǎn)速；電機(jī)處于正轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第二象限。電機(jī)運行在第一象限內(nèi)時為電動態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩，此時電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機(jī)械能形式輸出。當(dāng)電機(jī)運行在第二象限內(nèi)時為再生態(tài)，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，所以電機(jī)作用到轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變，成為轉(zhuǎn)子的制動阻力力矩。此時電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以低于同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動。

2 皮帶機(jī)變頻改造方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮到皮帶輸送機(jī)上行輸煤時其驅(qū)動電機(jī)運行在兩個象限內(nèi)，所以選用的變頻器是二象限型變頻器。同時根據(jù)皮帶輸送機(jī)的工作情況，使選用的變頻器能夠在電機(jī)帶載起動、空載起動或停機(jī)時能夠輸出直流制動力矩，保證皮帶機(jī)平穩(wěn)起動、停止，減小機(jī)械沖擊，最終確定選用由山西電神電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號為UP10-132的變頻器。該變頻器技術(shù)數(shù)據(jù)如下。

額定功率：132kW；額定電壓：380V；額定電流：260A。

輸出頻率（變頻范圍）0～50Hz；調(diào)整精度為±1%Hz。

保護(hù)功能：具有過載、過流、漏電、斷相欠壓，過載能力為200%，60s。

改造后的拖動方式為變頻器→電動機(jī)→減速器→皮帶輸送機(jī)滾筒軸→皮帶。

改造中同時進(jìn)行了以下工作。

1）皮帶輸送機(jī)變頻改造自動控制系統(tǒng)

皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用電氣柜控制或中控室PLC 控制。在中控室設(shè)上位監(jiān)控計算機(jī)，使用UP10變頻器組態(tài)軟件對皮帶輸送機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)控，并使用該軟件的歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)。PLC 控制系統(tǒng)完成對變頻器的起、?？刂?，實現(xiàn)各電機(jī)等速起動和同步控制，對電機(jī)進(jìn)行過流、過載、短路、斷路檢測和保護(hù)，同時實現(xiàn)對皮帶跑偏檢測、皮帶堆煤等保護(hù)。系統(tǒng)采用RS-485作為串行通信接口。另外，還匹配了煤流傳感器，可以根據(jù)煤流大小自動調(diào)節(jié)皮帶帶速[1]。

2）皮帶輸送機(jī)變頻改造的電氣控制

在皮帶輸送機(jī)變頻改造后，將原有的工頻起動電氣柜保留作為工頻旁路，以防止變頻器出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)。如果變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻起動柜應(yīng)急運行，迅速轉(zhuǎn)換到電機(jī)直接起動狀態(tài)。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯(lián)，組成雙回路可轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)[2]。

皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”工頻自動旁路方案，如圖1所示（圖中QF 為原高壓開關(guān)柜內(nèi)帶綜合繼保的高壓斷路器）。工頻旁路主回路系統(tǒng)由兩個隔離開關(guān)QS1-QS2 和3 個真空接觸器KM1-KM3 組成，KM3 與KM2 電氣互鎖。當(dāng)電機(jī)變頻運行時， KM1 、KM2 閉合，同時QS1、QS2 閉合；當(dāng)電機(jī)工頻運行時，KM3 閉合，同時KM1、KM2斷開。檢修變頻器時，要求QS1、QS2 斷開，使變頻器系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，保證檢修人員的人身安全。

3）變頻器驅(qū)動電動機(jī)起動

變頻器驅(qū)動電動機(jī)的起動情況也可以分為電動態(tài)起動、再生態(tài)起動和空載起動。為了防止起動時因為拖動系統(tǒng)速度不為零而造成電機(jī)和變頻器發(fā)生過載情況，變頻器在電機(jī)起動前預(yù)先輸出頻率為零赫茲的力矩電流，即變頻器對電機(jī)預(yù)先輸出一個直流力矩TL與負(fù)載力矩相平衡，保證拖動系統(tǒng)起動時初速度為零，這樣變頻器起動后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變（視起動后負(fù)載力矩情況而定），實現(xiàn)電機(jī)的帶載起動。在變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后，電機(jī)按該頻率下的特征曲線運行。

4）皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用本地/遠(yuǎn)程兩種控制方式，即真空接觸器的分合操作可以由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以在現(xiàn)場手動控制操作來完成。

現(xiàn)場控制：現(xiàn)場通過直接操縱工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器分合進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制操作。

遠(yuǎn)程控制：與DCS 直接連接，接受DCS 系統(tǒng)的控制。通過DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器的分合操作。

一是加大網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，提升農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持能力?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”等新產(chǎn)業(yè)正在讓鄉(xiāng)村迸發(fā)出新活力。推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，將有助于提升行業(yè)效率，加快構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，而這必然也離不開農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。二是加大鄉(xiāng)村道路建設(shè)。公路是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動脈。加快農(nóng)村公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)對帶動貧困地區(qū)的旅游發(fā)展、加速農(nóng)特產(chǎn)品的運轉(zhuǎn)、促進(jìn)貧困地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善農(nóng)民生活水平、促進(jìn)鄉(xiāng)村地區(qū)各產(chǎn)業(yè)特別是旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著十分重要的戰(zhàn)略意義。

圖1 變頻器“一拖一”工頻旁路方案

3 變頻改造后效益

3.1 節(jié)能效益

1）皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻時實際消耗的功率P1

式中，I1為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實際運行電流（165A）；U為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實際運行電壓（375V）；cosφ為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實際運行功率因數(shù)（cosφ=0.95）

皮帶輸送機(jī)每天耗電量（按每日工作18h 計）：

2）節(jié)電率η：

皮帶輸送機(jī)變頻前后功率比為

ηP=(I1/I)3/η1/η2/η3=(165/209)3/0.95/0.8/0.96≈67.58%

式中，變頻裝置效率η1=0.95；考慮皮帶機(jī)在低速運轉(zhuǎn)下的效率會下降，取修正系數(shù)；η2為80%；考慮到其他損耗，取η3=0.96；皮帶輸送機(jī)電機(jī)的額定電流I=209A。

變頻改造后系統(tǒng)消耗功率為

式中，P0為皮帶輸送機(jī)電機(jī)額定功率；P2為變頻改造后系統(tǒng)消耗功率。

變頻后皮帶輸送機(jī)每天耗電量（按每日工作18h 計）：

變頻后相對于工頻運行時的小時節(jié)電量為

變頻后皮帶輸送機(jī)電機(jī)每天節(jié)電量（按每日工作18h 計）為

皮帶輸送機(jī)電機(jī)變頻前后節(jié)電率η為

3）年節(jié)能量

變頻改造后運行一年（按年工作300 天，每天18h，全年5400h 計）節(jié)省的電能為

一年節(jié)省的電費為

148338kW·h×0.50 元/kW·h=74169 元（按每度0.50元計算）

3.2 其他效益

1）電機(jī)實現(xiàn)了軟起、軟停運行且起動平滑，轉(zhuǎn)矩大，沖擊電流減小。

2）運用變頻器的軟起動功能，將電機(jī)的軟起動和皮帶機(jī)的軟起動合二為一，真正實現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)軟起動。

3）皮帶輸送機(jī)調(diào)速范圍廣，起動轉(zhuǎn)矩不變，可實現(xiàn)重載起動且安全可靠。

4）電機(jī)功率因數(shù)和皮帶輸送機(jī)運行效率明顯提高。

5）解決了電網(wǎng)電壓的劇烈波動、電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損等問題和以往液力偶合器維護(hù)工作量大，能耗高問題，延長了電機(jī)和皮帶輸送機(jī)的使用壽命。

6）可根據(jù)負(fù)載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，使得皮帶輸送機(jī)的能耗進(jìn)一步降低。

7）降低對皮帶帶強(qiáng)的要求，減少了皮帶損耗，節(jié)約了皮帶購置成本。

4 結(jié)論

變頻改造后保證了煤礦正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全可靠性，提高了皮帶輸送機(jī)運行效率，減少了皮帶輸送機(jī)維護(hù)和維修工作量，降低了皮帶輸送機(jī)維護(hù)和維修費用，節(jié)約了能源、增加了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了煤礦對皮帶輸送機(jī)變頻改造的預(yù)期目的，增強(qiáng)了煤礦進(jìn)一步技改的信心。

[1] UP10-132 變頻器用戶使用說明書.山西電神電器設(shè)備有限公司.

[2] 黨利軍.高壓變頻器在煤礦皮帶機(jī)上的應(yīng)用.變頻器世界,2010(4).