3×1600kW礦用刮板輸送機變頻改造及應用

張國民

摘 要：礦用刮板輸送機是煤礦綜合機械化采煤成套裝備的重要組成部分，是煤礦綜采工作面負責“裝煤、運煤、破煤”采煤工藝環(huán)節(jié)中的大型裝備，長期以來國內高端大功率刮板輸送機主要依賴進口，因進口設備的技術壟斷，且在使用中1600kW CST減速器存在設計缺陷，售后服務不及時等，給煤礦安全和生產(chǎn)帶來了很多負面影響。為有效改變這種局面，神東煤炭集團對世界最大功率的3×1600kW礦用刮板輸送機驅動部由CST改為變頻驅動系統(tǒng)。

關鍵詞：變頻移變；高壓變頻器；1600kW減速器；輸送機

中圖分類號：TD528 文獻標識碼：A

神東煤炭集團目前在用的刮板輸送機有67套，從功率等級分主要有3×700kW、 3×855kW、3×1000kW、3×1200kW、2×1000kW+2×1000kW（放頂煤）、3×1600kW，以TTT或CST進行軟啟動的占80%，變頻啟動及運行的占20%。其中變頻驅動方式的刮板輸送機國內外只有3×1000kW可以實現(xiàn)。神東在用的3×1600kW刮板輸送機全是以CST進行軟啟動，經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)1600kWCST減速器存在設計缺陷，故障率高，維護工作量大，維護成本高，且不可以長時間工作在低速模式下。無法實現(xiàn)自動調速功能。隨著科學技術的不斷發(fā)展，變頻技術在工業(yè)領域的應用日趨普及，變頻技術應用于煤礦刮板輸送機也日益成熟。變頻技術的引入便于實現(xiàn)平穩(wěn)的啟動、自動化控制、電機功率平衡等，省去了TTT或CST電機至減速器間的直接對輪聯(lián)接，提高設備的機械性能，同時對神東的數(shù)字化礦井管理提供了有力保障。

1 3×1600kW礦用刮板輸送機改造方案及工作流程

改造系統(tǒng)組成及工作原理：

新設計開發(fā)礦用隔爆型移相式移動變電站、BPJV1-2000/3.3礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器、1600kW減速器、限矩摩擦離合器、變頻電纜等。系統(tǒng)改造結構如圖1所示和電氣系統(tǒng)如圖2所示。

整套改造系統(tǒng)由10kV高壓電分別提供給三臺礦用隔爆型移相式移動變電站，經(jīng)變壓輸出2×1903V（兩回路輸出，每兩相相位角相差30度，頻率50 Hz）向變頻器供電，每臺變頻器需要單獨配備的移動變電站來供電。變頻器對輸入電壓進行變頻輸出控制，使電動機的輸入電壓頻率為0Hz-50 Hz，從而實現(xiàn)電機調速控制。

2 KBSGZY-X-2500/10/2×1.903礦用隔爆型移相式移動變電站

移動變電站主要由高壓真空配電裝置、變壓器部分、低壓保護箱組成。高壓側采用真空永磁斷路器，低壓側有接地監(jiān)控，高、低壓開關按國家相關要求配備保護，組成低壓故障分斷高壓的移動變電站系統(tǒng)。移動變電站為變頻器提供交流380V（7kVA以上容量，三相四線輸出，中性點不接地）輔助電源及相應的保護。高、低壓開關具有清晰準確，可靠的分合閘指示和電流、電壓、絕緣電阻運行工況及故障顯示，具有故障自診斷和記憶功能；并能顯示累計帶電運行時間和過載跳閘次數(shù)。變壓器采用C級絕緣，冷卻方式為ANAN。變壓器側面均采用瓦楞散熱。可承受整流器諧波引起的溫升；變壓器裝設有溫度監(jiān)控元件，對溫度進行監(jiān)視，當超過保護溫度時主斷路器應跳閘切斷電源。設有可靠的機械及電氣閉鎖裝置，并加裝停電上鎖裝置。系統(tǒng)原理如圖3所示。

2.1高壓真空配電裝置

高壓真空配電裝置選用北京朗威達PBG1-630/10礦用隔爆型真空配電裝置，主要由以下部分組成：隔爆箱、斷路器和PLC 智能型綜合保護器（包括人機屏GOT）。箱體前門應裝有PLC、GOT、信號取樣檢測板等，前門設有液晶顯示窗，顯示高壓開關運行狀態(tài)和各種故障狀態(tài)。面板還設有參數(shù)設定按鈕及過載、短路、復位、急停、電合、電分、手分等操作按鈕，用于實現(xiàn)參數(shù)設定和功能操作。

高壓隔離開關腔內裝有高壓隔離開關，并設有觀察窗。箱體上設有隔離開關分合閘手柄、機電閉鎖裝置。用工業(yè)可編程序控制器（PLC）和人機屏（GOT）系統(tǒng)，參數(shù)設置靈活方便、動作性能靈敏可靠、運行和故障畫面直觀簡明。PLC 智能型綜合保護器具有系統(tǒng)自檢、故障診斷巡檢及記憶功能，有RS485通訊接口、能夠實時檢測和傳送數(shù)字化運行狀態(tài)及故障指示，能實現(xiàn)與礦井的其它設備進行自動化聯(lián)機功能。

具有過壓、欠壓、短路、過載、超溫、漏電及接地保護、并可實現(xiàn)自檢，且對低壓側反饋來的故障進行保護，低壓出線腔具有開門閉鎖功能（開門斷開高壓），高壓側按鈕具有機械的停電上鎖保護裝置，避免誤操作；具有變壓器溫度保護及顯示功能，有4mA-20mA溫度模擬量輸出（pt100+變送器+24VDC開關電源）。真空斷路器采用“永磁機構式”斷路器，具有欠壓延時0.5-1s。

2.2變壓器部分

變壓器鐵芯采用三相三柱全斜接縫結構，5級步進多級疊片方式，降低了空載電流、空載損耗、局部磁飽和及噪聲。線圈采用多層圓筒式結構，使線圈絕緣沖擊耐受能力進一步增強。使用軸向分裂式線圈，使Y接和D接繞組對稱，阻抗平衡，輸出功率平衡。采用高性能硅鋼片（27QG120），較低工作磁密設計（小于1.45T），使鐵芯承受過電壓（電網(wǎng)電壓+15%）與諧波（30%）影響不飽和。加強匝絕緣、層間絕緣及主絕緣強度，采用先進的絕緣結構，使產(chǎn)品完全能承受諧波引起的各種過電壓絕緣沖擊。繞組設計采用較低的電流密度和科學的導線寬厚比，降低諧波作用引起的渦流等附加損耗；增加線圈散熱氣道和寬度，保證繞組在諧波的影響下繞組的熱穩(wěn)定。

采用12脈波移相整流，使一次側僅含12K±1次諧波，降低二次輸出電壓偏差（≤0.5%），大大降低了諧波含量（10%左右）。在高、低壓線圈間增加屏蔽，阻擋一、二次繞組間的容性耦合，可以提高繞組的漏抗（短路阻抗大于8%），降低了高次諧波對電網(wǎng)及其它設備的影響，同時有效抑制了整流管的di/dt，保護了整流管。

2.3低壓側保護箱

礦用隔爆型移變低壓側保護箱采用北京朗威達XBD-2×1250/3.3（1.903）Y （實際使用電壓為1903V，獨立兩路400A 輸出，保護等級按照3300V電壓等級）。低壓側保護設有過載、短路、過壓、欠壓、超溫、斷相等保護，可實現(xiàn)多點接地漏電監(jiān)測、漏電閉鎖、自檢功能、漏電實驗功能。低壓出線腔內配置門結構，開門斷高壓電。采用電纜連接器引線輸出的方式，配套使用victor電纜連接器，預留4個引出位置，配備兩套引出裝置，每套對應型號分別為：（出線端）螺栓式電纜插座 3300V/500A， （出線端）螺栓式電纜插頭 3300V/500A。

2.4 7kVA容量輔助控制電源變壓器

在隔爆變壓器腔內增設一組獨立的3相/10kV輸入，3相380V四線制輸出 /7kVA容量輔助控制電源變壓器（見后面附圖）。7kVA容量輔助控制電源變壓器的高壓輸入側設有過流保護功能，且將三只高壓快速熔斷器放到高壓開關隔爆腔內。技術參數(shù)如下：容量：7kVA；一次電壓：10kV；額定電流：0.404A；高壓繞組結構型式：多層圓筒式繞組；二次電壓：380/220V 3相四線制輸出，中性點不接地；額定電流：10.64A；聯(lián)結方式及標號：Yyn0；變壓器額定情況下二次輸出電壓偏差：<1%；絕緣材料耐熱等級：C；冷卻方式：ANAN。

3 BPJV1-2000/3.3礦用隔爆兼本質安全型高壓變頻器

變頻器采用ABB公司ACS1000控制技術，該控制系統(tǒng)采用成熟的微處理控制技術來監(jiān)控電機的電磁狀態(tài)，配合直接轉矩控制技術（DTC）可以達到近乎完美的無傳感器電機控制，外加脈沖編碼器反饋后，可以應用于精確的速度控制，或長期運行于接近零速區(qū)域的應用場合。變頻器系統(tǒng)框圖如圖4所示。

變頻器電氣系統(tǒng)主要由主回路、控制單元、控制面板、冷卻系統(tǒng)及外圍電路等幾大部分組成。變頻器為交-直-交、電壓源型變頻器。

變頻系統(tǒng)整流部分采用12脈沖整流技術，直流回路電壓是兩組6脈沖整流電壓的疊加。

變頻器逆變部分采用技術成熟的三電平逆變輸出方案，系統(tǒng)每個橋臂由4 個 IGCT 加上 2 個中性箝位二極管組合而成。IGCT集IGBT（絕緣門極雙極性晶體管）的高速開關特性和GTO（門極關斷晶閘管）的高阻斷電壓和低導通損耗特性于一體，IGCT的高速開關能力無需緩沖電路，所需的功率元件數(shù)目更少，運行的可靠性大大增高。

可控有源 LC 低通濾波器可以降低所有逆變器開關時對電機的諧波。

3.1主電路設計

三相交流電通過三繞組變壓器對整流橋供電（如圖5所示）。為了獲得12脈波整流，變壓器兩個的副邊繞組之間存在30℃的相位差。一個繞組為星形接法，另一個繞組為角形接法。

兩個無熔斷器的整流橋串聯(lián)連接，直流電壓為兩整流橋的疊加。兩個整流橋均流過全部直流電流。

為進行三電平切換運行，三相逆變器的每個橋臂由2個IGCT組成： IGCT的輸出電壓在正直流電壓、中性點（NP）和負直流電壓之間切換。因此，采用DTC技術，就可以對輸出的電壓和頻率在0 ～最大值之間進行連續(xù)的控制。

在變頻器的輸出加一個低通LC濾波器，減小輸出電壓中的諧波含量。采用LC濾波器之后，輸送給電機的電壓波形接近于正弦波（如圖6所示）。因此，標準電機可以直接按額定容量使用。該濾波器還消除了dv/dt的影響，因而電機電纜中電壓的反射和電機絕緣的損害影響很小。

變頻器輸出側的低通LC濾波器依靠電流反饋來控制運行。允許通過的低頻頻率恰好低于逆變器輸出側所采用最低的開關頻率。提高輸送給電機的電壓和電流的純度由此可以帶來許多很重要的優(yōu)點：

（1）消除諧波造成的發(fā)熱。變頻器可以直接拖動標準中壓電機，而不需要考慮發(fā)熱降容因素。

（2）發(fā)生在電機輸入端子的電壓反射和相關聯(lián)的電壓加倍現(xiàn)象不再出現(xiàn)（由于高頻分量已經(jīng)不再存在）。 因此可以適用于所有標準中壓繞組絕緣系統(tǒng)。

（3）電機電纜的長度沒有限制（與其它電氣設備一樣，正常的電壓降依然存在）。

（4）電機軸承損壞的容性耦合高頻電流不再存在。

（5）消除了共模電壓的影響，因此與其它傳動設備不同，不需對電機的絕緣加以特別的考慮。

充電電阻在變頻器上電時限制直流回路的電流。當直流電壓達到79%額定值時，IGCT導通，充電電阻被旁路掉。保護IGCT的主要作用就是在出現(xiàn)故障時迅速關斷，以保護整流橋。

逆變器的共模電流由共模電抗器進行限制，并通過共模抑制電阻進行衰減。由于結構的特殊性，共模電抗器可以對通過變壓器副邊電纜、直流回路、輸出濾波器和變頻器內部接地母排流動的共模電流提供全面的抑制。另一方面，對于主回路直流電流幾乎沒有任何限制，主電流可以自由通過。

3.2控制系統(tǒng)

直接轉矩控制方式（DTC）是交流傳動的一種獨特的電機控制方式。直接轉矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電動機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電動機的磁通和轉矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁通和轉矩的直接控制。直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過控制電流、磁通等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量，對轉矩的直接控制或直接控制轉矩，既直接又簡化。逆變器的開關狀態(tài)由電機的核心變量磁通和轉矩直接控制。直接轉矩控制中，每只IGCT的開關狀態(tài)都是單獨地由磁通和轉矩的值決定的，而不是象傳統(tǒng)PWM磁通矢量傳動中預先確定的矩陣來控制開關狀態(tài)。DTC功能塊圖如圖7所示。

測量的電機電流和直流電壓作為自適應電機模型的輸入，該模型每25微秒產(chǎn)生一組精確的轉矩和磁通的實際值。電機轉矩比較器將轉矩實際值與轉矩給定調節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實際值與磁通給定調節(jié)器的給定值作比較。依靠來自這兩個比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開關狀態(tài)。逆變器的每一次開關狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應。

3.3保護功能

變頻器的保護功能分可編程的故障保護功能和已編程的故障保護功能。

可編程的故障保護功能有：電機繞組溫度保護、電機堵轉保護、欠壓保護

已編程的故障保護功能有：過壓保護、電機缺相保護、輸入缺相保護、過流保護、逆變器短路保護、接地故障、控制軟件故障、測量丟失、通訊故障、外部急停保護

3.4系統(tǒng)監(jiān)控與通訊系統(tǒng)

一個完整的變頻器需要硬件和軟件共同實現(xiàn)，軟件程序的執(zhí)行快慢，將直接影響到變頻調速系統(tǒng)的性能，同時，軟件的通訊系統(tǒng)也是不可忽視的重要部分，本系統(tǒng)采用485、CAN 以及工業(yè)以太網(wǎng)等接口通訊方式即可實現(xiàn)與上位機進行通訊，又可實現(xiàn)多臺設備集中控制運行，還可將運行數(shù)據(jù)傳送至地面調度室進行遠程監(jiān)控。

4減速器及限矩摩擦離合器

為了保證新開發(fā)的行星減速與進口CST減速器的互換性，減速器的輸入、輸出連接尺寸必須與電機側及刮板輸送機機架側吃寸相同。平行減速器采用圓錐齒輪-斜齒輪-行星輪傳動減速，垂直減速器采用純行星齒輪傳動減速。使平行減速器與垂直減速器的減速比相等，并保證減速器比與CST減速器相同，減速比為39.11。減速器設有高速軸承溫度傳感器、低速軸軸承傳感器、油溫傳感器，并集中配置接線盒便于集中顯示及控制。

在電機與減速器之間使用限矩摩擦離合器，取消了彈性聯(lián)軸器，增加了刮板輸送機過載及卡鏈條時對電機的保護，大大提高的電機的使用壽命。

結語

3×1600kW刮板運輸機變頻改造及應用，為我國煤礦調速設備提供一套節(jié)能增效、高精度轉矩控制的系統(tǒng)，它的研發(fā)和實施可為我國的礦井安全生產(chǎn)，特別是井下大功率刮板運輸機等調速設備提供有力的技術保證與支持。第一套刮板輸送機變頻改造2012年11月份在大柳塔煤礦52303大采高工作面刮板輸送機進行應用，截止2014年4月7日該工作面回撤，過煤量1200萬噸。日最高產(chǎn)量達5萬噸。第二套刮板輸送機變頻改造2013年8月25日在大柳塔煤礦52305工作面使用，截止2014年7月份該工作面回撤，過煤量719萬噸；第三套2014年4月份在大柳塔煤礦52302工作面使用。截止10月份過煤量520萬噸。根據(jù)實際使用，大功率變頻刮板輸送機調速性能好、可靠性高、啟動轉矩大、功率平衡性能好、極低的維護量和維護成本等優(yōu)勢，為今后神東煤炭集團研究8.8m超大采高工作面的變頻刮板輸送機奠定了基礎，對推動我國煤礦行業(yè)技術進步具有極其重要的意義。

參考文獻

[1]佚名.世界首套3×1600KW變頻刮板運輸機在神東煤炭集團成功運行[J]. 變頻技術應用， 2013 （01）：39-39.