變頻技術(shù)在大型膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用

摘要：在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中一般應(yīng)用膠帶輸送機(jī)作為主要傳輸工具。隨著變頻技術(shù)的不斷成熟，及其在調(diào)速性能上、運(yùn)行穩(wěn)定性方面等突出的優(yōu)勢(shì)，能夠起到提高運(yùn)煤效率，減少能源耗費(fèi)的效果。文章從變頻技術(shù)在膠帶機(jī)中實(shí)現(xiàn)調(diào)速的原理進(jìn)行切入，就變頻技術(shù)在大型膠帶輸送機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)；變頻技術(shù)；調(diào)速；膠帶輸送機(jī)

中圖分類號(hào)：TD528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）25-0046-03

隨著國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的加快，煤礦、電力、石油等能源需求量在不斷增加，尤其是煤礦大量應(yīng)用于發(fā)電等場(chǎng)合，越來(lái)越多的企業(yè)投入到煤礦開采中，因而現(xiàn)階段煤炭資源已趨于飽和。為降低煤礦開采的成本，減輕煤礦企業(yè)運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)，當(dāng)前煤礦企業(yè)多采用膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸，并引進(jìn)變頻技術(shù)改善其運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能。

1 膠帶輸送機(jī)在煤礦中的應(yīng)用

在煤礦井下巷道、選煤廠和露天采礦作業(yè)中，膠帶輸送機(jī)的使用較為普遍，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送。膠帶輸送機(jī)在安裝時(shí)，利用膠帶卡子或其他工藝如硫化方式等將膠帶連接成封閉環(huán)形，用張緊裝置將它們張緊，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，靠膠帶與驅(qū)動(dòng)滾筒之間的摩擦力，使膠帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到將貨物由膠帶輸送機(jī)沿線的一個(gè)地方運(yùn)到卸載部將貨物卸載。張緊裝置的作用就是將膠帶張緊，使膠帶與驅(qū)動(dòng)滾筒具備足夠的摩擦力，使兩托輥組支架間的膠帶控制在一定的撓度范圍內(nèi)，從而使膠帶輸送機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，膠帶輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)水平方向及傾斜巷道方向的運(yùn)輸，在應(yīng)用于傾斜向上運(yùn)煤場(chǎng)合中，其工作所允許的傾斜角度不超過(guò)20°，塊煤不超過(guò)18°；而在進(jìn)行傾斜向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其允許的傾角是上述值的80%。相比于傳統(tǒng)使用的刮板輸送機(jī)，膠帶輸送機(jī)的運(yùn)煤能力更強(qiáng)，且工作阻力小，并能降低原煤的破碎程度，保障運(yùn)煤的質(zhì)量，因而在煤礦中應(yīng)用較為普遍。

由于膠帶輸送機(jī)上的膠帶屬于彈性體，其在靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)儲(chǔ)存能量，當(dāng)輸送機(jī)啟動(dòng)時(shí)，若未配備軟啟動(dòng)設(shè)備，則將引起存儲(chǔ)的能量快速釋放，并形成沖擊波作用于膠帶，極易造成膠帶和設(shè)備的損壞。因而根據(jù)國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，膠帶輸送機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需配置軟啟動(dòng)裝置。當(dāng)前我國(guó)絕大多數(shù)煤礦企業(yè)在使用膠帶輸送機(jī)時(shí)，一般是以工頻方式拖動(dòng)，電機(jī)工頻運(yùn)行，在液力耦合器作用下將動(dòng)力傳送給膠帶輸送機(jī)裝置。因電機(jī)長(zhǎng)期以工頻方式運(yùn)行，且液力耦合器的傳動(dòng)效率不穩(wěn)定，因而造成膠帶輸送機(jī)的工作效率不理想；此外，液力耦合器的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成其內(nèi)部油溫升高、機(jī)械部件損耗、液體泄漏等情況的發(fā)生，多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡難控制，設(shè)備啟動(dòng)沖擊振動(dòng)較大，嚴(yán)重影響到輸送機(jī)的安全運(yùn)行。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，在煤礦膠帶輸送機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，有效地改善了上述情況的發(fā)生。

2 膠帶輸送機(jī)在煤礦中的性能要求

在煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的多為鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機(jī)，其可進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，且具有承載和牽引雙功能，可簡(jiǎn)化煤礦的運(yùn)輸系統(tǒng)，并保證傳輸效率。然而鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)，其對(duì)牽引力、驅(qū)動(dòng)速度等方面有較高的要求，除滿足普通用帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、功率平衡、重載啟動(dòng)等技術(shù)要求外，對(duì)調(diào)速特性及負(fù)力制動(dòng)方面也有嚴(yán)格要求，因而其運(yùn)行可使用直流調(diào)速技術(shù)加以驅(qū)動(dòng)。然而在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)存在無(wú)法防爆等不足之處，因而當(dāng)前多利用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在膠帶輸送機(jī)的使用以改善上述問題。

2.1 功率平衡性要求

因鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸，其需使用多個(gè)交流變頻電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在驅(qū)動(dòng)滾筒與膠帶的摩擦力作用下實(shí)現(xiàn)整個(gè)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行。若是功率不平衡，則可能引起電機(jī)負(fù)荷出現(xiàn)分配不均勻情況，因而會(huì)加劇驅(qū)動(dòng)裝置的磨損程度，嚴(yán)重情況下可能會(huì)損壞電機(jī)，因此需嚴(yán)格控制膠帶輸送機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡問題。

2.2 膠帶輸送機(jī)的無(wú)極調(diào)速要求

鋼絲繩芯帶式輸送機(jī)在煤礦生產(chǎn)中主要承載長(zhǎng)距離運(yùn)煤及驗(yàn)繩等多種功能，在不同應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)輸送機(jī)中膠帶的運(yùn)行速度有著不同的要求，并能保證運(yùn)行速度的穩(wěn)定性，在進(jìn)行速度調(diào)整時(shí)能平滑調(diào)速。

2.3 軟啟動(dòng)及功率平衡重載啟動(dòng)的要求

在上述中提到，因膠帶輸送機(jī)中的膠帶是彈性材料，因而能進(jìn)行儲(chǔ)能，在膠帶輸送機(jī)工作啟動(dòng)時(shí)，在未具備軟啟動(dòng)功能的情況下，膠帶極有可能會(huì)因能量的釋放而發(fā)生滑動(dòng)，進(jìn)而影響其正常運(yùn)行；另外輸送機(jī)在使用時(shí)，不可避免會(huì)發(fā)生帶載停車現(xiàn)象，因而要求其具備重載啟動(dòng)的功能，以保障設(shè)備的正常工作。

2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能

帶式膠帶輸送機(jī)在正常工作狀態(tài)下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與所帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡，然而當(dāng)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)的動(dòng)力矩突降為0，輸送機(jī)的減速加速度是比較大的，考慮到輸送機(jī)系統(tǒng)的慣性較大，減速?zèng)_擊對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備的破壞是比較大的，并可能引起輸送機(jī)與運(yùn)料間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生事故，因而需對(duì)系統(tǒng)的制動(dòng)加以優(yōu)化。

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)在膠帶機(jī)中的應(yīng)用

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻主電路、數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)行指示、模擬輸入輸出等組成。變頻主電路是變頻系統(tǒng)的核心裝置，通用電路如下圖1所示。主電路包括有整流、直流及逆變環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)交流—直流—交流的轉(zhuǎn)換。整流部分主要依賴于6個(gè)二極管的單相導(dǎo)通性能，從而可將三相交流電源RST整形為直流電；而直流部分則主要是將電容與分壓電阻配合使用，電容的作用主要是儲(chǔ)能及濾波，從而維持直流電壓UD的穩(wěn)定性，而分壓電阻的使用則主要是為避免各電容因工作性能的差異產(chǎn)生較大壓降而擊穿電容，可在電路中加上電阻進(jìn)行分壓從而確保電容壓降一致；逆變部分則主要由6個(gè)高速開關(guān)、低功耗IGBT模塊及以反并聯(lián)方式接入電路的二極管組成，二者配合使用可實(shí)現(xiàn)將直流電壓UD轉(zhuǎn)換為頻率及有效電壓值均可改變的三相交流電。

數(shù)控系統(tǒng)主要是有集成電路、CPU處理芯片及基極驅(qū)動(dòng)電路等組成。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)中的CPU接收到輸入電路的控制信號(hào)后，通過(guò)芯片中燒入的程度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)矩運(yùn)算等過(guò)程，從而生成PWM波形，輸出到基極驅(qū)動(dòng)電路中，對(duì)逆變電路中的IGBT模塊進(jìn)行開、斷控制；運(yùn)行指示模塊則是對(duì)調(diào)速系統(tǒng)各功能模塊的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等加以直觀顯示，從而使工作人員了解當(dāng)前調(diào)速系統(tǒng)的工作情況；最后，模擬輸入輸出功能則主要是利用模擬或數(shù)字的方式模擬用戶對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的輸入信號(hào)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)在膠帶輸送機(jī)的應(yīng)用需求

3.2.1 可實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶輸送機(jī)的軟啟動(dòng)。通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)驅(qū)動(dòng)膠帶輸送機(jī)后，變頻調(diào)速裝置具備的軟啟動(dòng)功能可大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，利用對(duì)異步電機(jī)的緩慢起動(dòng)，從而帶動(dòng)膠帶輸送機(jī)同步緩慢啟動(dòng)，給予皮帶充足時(shí)間釋放存儲(chǔ)的能量，進(jìn)而降低膠帶張力波造成的沖擊力破壞。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)功率平衡性要求。在使用變頻器裝置驅(qū)動(dòng)膠帶輸送機(jī)時(shí)，通常是選擇使用一拖一的方式進(jìn)行控制。若需驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)，使用主從結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，如此便可保證運(yùn)動(dòng)中要求的線速度、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩一致，從而達(dá)到功率平衡性要求。

3.2.3 調(diào)速范圍寬、可滿足自動(dòng)平滑速度。上述中提到，在膠帶輸送機(jī)中使用的電機(jī)主要是交流異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式N=60f（1-s）/p，其中f表示交流電的變化頻率值，而s則反映出轉(zhuǎn)速率的大小，p是極對(duì)數(shù)的值。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，s、p值的大小均是確定值，因而電機(jī)轉(zhuǎn)速大小直接取決于交流電的頻率f。若f值取值在[0，50]區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍比較寬，而變頻裝置可通過(guò)程序延時(shí)控制其輸出頻率變化，因而可靈活調(diào)節(jié)PWM頻率范圍，滿足不同場(chǎng)合下對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度的要求。

3.2.4 自動(dòng)調(diào)速、節(jié)能效果明顯。在對(duì)膠帶輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，能實(shí)現(xiàn)膠帶輸送機(jī)根據(jù)負(fù)載變化動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行速度，考慮去除各種損耗實(shí)際節(jié)電可達(dá)23%左右。膠帶機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，機(jī)械設(shè)備各部件磨損都減少，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，節(jié)約效果明顯。

3.3 膠帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及控制

在膠帶輸送機(jī)中使用的變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其通用電路組成相似，仍主要是整流模塊、直流濾波、逆變模塊及數(shù)字控制等組成，參考圖1。其節(jié)能控制的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)負(fù)載進(jìn)行輸送膠帶的速度控制，因考慮到負(fù)載的不均勻，檢測(cè)輸出的結(jié)果是上一次膠帶運(yùn)煤的流量，存在時(shí)間滯后問題，造成在調(diào)節(jié)輸送帶的速度上便相對(duì)較模糊，因而可通過(guò)模糊控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的追蹤檢測(cè)，即在誤差值較大的情況下，控制量以盡量減少誤差為主，若使用的膠帶輸送機(jī)所帶的負(fù)載量加大，則相應(yīng)的膠帶應(yīng)進(jìn)行提速，同時(shí)變頻裝置的控制電壓也應(yīng)升高。

4 變頻調(diào)速裝置在膠帶機(jī)中應(yīng)用選型

4.1 煤礦作業(yè)環(huán)境

由于礦區(qū)井下環(huán)境空氣潮濕、可開展空間狹小，且空氣中存在瓦斯、粉塵等具有危險(xiǎn)隱患的易燃易爆物，根據(jù)國(guó)家對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)提出的安全規(guī)定，煤礦井下用于開采、挖掘、運(yùn)輸?shù)入姎庋b置及其輔助性設(shè)備，需具備防爆及安全作業(yè)等性能；另外，需對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電氣爬電、散熱控制等進(jìn)行充分地了解。若使用水冷方式冷卻，需兼顧到變頻裝置對(duì)水質(zhì)的要求，從而避免因水質(zhì)差而影響變頻裝置的散熱性能。

4.2 變頻器的防護(hù)等級(jí)

在選擇使用變頻裝置時(shí)，需考慮到其防護(hù)等級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的適用性問題，若選擇不當(dāng)，則礦區(qū)中的煤塵、煤粉及水汽等將會(huì)影響其使用，并導(dǎo)致故障問題的頻繁發(fā)生。變頻器的防護(hù)等級(jí)主要有IP00、IP20、IP54等，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)重合結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，一般而言，礦用變頻裝置的防護(hù)等級(jí)需至少在IP54以上。

4.3 變頻器的容量選擇

使用變頻器控制異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，變頻器的容量選擇通常依據(jù)異步電機(jī)的額定電流或工作電流值作為選擇的參考值。因考慮到膠帶輸送機(jī)啟動(dòng)較為頻繁且所帶負(fù)載等慣性較大等因素，其在啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩，且異步電機(jī)在進(jìn)行減速動(dòng)作時(shí)，會(huì)有能量的回饋?zhàn)饔谩榇_保變頻器的安全、穩(wěn)定性運(yùn)行，且延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)選擇使用容量值較大的變頻裝置加快啟動(dòng)時(shí)間，減少振蕩及電能回饋問題的發(fā)生；此外，在進(jìn)行變頻裝置的選擇時(shí)，應(yīng)盡量將規(guī)格相同的膠帶輸送機(jī)配備統(tǒng)一的變頻器，從而方便備用、替代器件的采購(gòu)，同時(shí)便于后期的維修工作。

4.4 應(yīng)用示例

神東公司大柳塔煤礦井下大巷8700米膠帶輸送機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)，很好地解決了膠帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)控制，使用7臺(tái)1000kW交流異步電動(dòng)機(jī)變頻控制器，其中1臺(tái)為主控單元，其余6臺(tái)為下位機(jī)，并在CAN總線的通信下實(shí)現(xiàn)主從機(jī)對(duì)膠帶的拖動(dòng)控制。

在皮帶頭部分使用4臺(tái)變頻器，并編號(hào)為1-4，中間部分則使用3臺(tái)變頻器裝置，編號(hào)為5-7。這7臺(tái)變頻裝置形成總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并利用控制臺(tái)控制處于皮帶頭中的1號(hào)變頻器裝置（可設(shè)任一臺(tái)為主機(jī)），而剩余6個(gè)從機(jī)在主機(jī)的命令下動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率平衡及對(duì)皮帶的加減速、停機(jī)、張緊動(dòng)作。因在控制過(guò)程中，各從機(jī)均統(tǒng)一接收主機(jī)命令，自動(dòng)調(diào)整本身輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了整條皮帶的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

使用變頻技術(shù)對(duì)膠帶輸送機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制后，可彌補(bǔ)膠帶機(jī)自啟動(dòng)造成的不足，并實(shí)現(xiàn)在多個(gè)速度間的平滑調(diào)整。通過(guò)實(shí)踐證明，相比與其他控制系統(tǒng)而言，變頻調(diào)速控制不僅可降低膠帶在啟動(dòng)中的張力波沖擊，延長(zhǎng)其工作壽命，而且可根據(jù)膠帶輸送機(jī)所帶負(fù)載信息自動(dòng)調(diào)整輸出頻率及力矩的變化，從而打破傳統(tǒng)的工頻勻速運(yùn)行狀態(tài)，提高對(duì)電能的有效利用率。從另一方面講，變頻控制技術(shù)屬于節(jié)能型技術(shù)應(yīng)用，因而，在煤礦膠帶輸送機(jī)中使用變頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益的雙贏，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)也有極大的幫助。

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作者簡(jiǎn)介：孫學(xué)政，山東單縣人，神華神東煤炭集團(tuán)有限公司大柳塔煤礦電氣工程師，研究方向：煤礦供電與電氣控制。