變頻器在四臺(tái)礦主斜井強(qiáng)力皮帶改造中的應(yīng)用

馬樹權(quán)

（山西省同煤集團(tuán)，山西 大同037000）

0 引言

主斜井皮帶機(jī)是四臺(tái)礦運(yùn)煤的咽喉要害，擔(dān)負(fù)著全礦井下原煤運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，每天此設(shè)備運(yùn)輸量大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。該皮帶機(jī)的運(yùn)行可靠與否，直接影響礦井全年產(chǎn)量和生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。該皮帶機(jī)原電控、傳動(dòng)系統(tǒng)為串電阻降流啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械部分磨損嚴(yán)重，對(duì)皮帶容易引起張力變化，從而影響皮帶的使用壽命。由于主斜井強(qiáng)力皮帶是多電機(jī)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率難以達(dá)到平衡。因此，四臺(tái)礦于2010年對(duì)主斜井皮帶機(jī)電控、傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

1 改造前后設(shè)備使用情況

1.1 改造前

四臺(tái)礦主斜井皮帶機(jī)運(yùn)輸長(zhǎng)度為864 m，皮帶機(jī)型號(hào)為DX.S6，傾角β＝14.5°，帶寬B＝1 400mm，帶速v＝3.15m/s，電機(jī)為YR－500（3×560kW，電壓6kV），減速器為K269P，采用鋼絲繩芯膠帶提升，設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力Q＝1 640t/h，啟動(dòng)形式為電機(jī)串電阻降流啟動(dòng)，通過棒削聯(lián)軸器帶動(dòng)減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)主副滾筒，最后通過滾筒與膠帶間的摩擦力使用膠帶轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。

1.2 改造后

電機(jī)為1PO8405－4PM80－Z（3×615kW，電壓660V），減速器為B3SH17A，啟動(dòng)形式為通過變頻器對(duì)皮帶機(jī)采用主從控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)慢速啟動(dòng)，帶動(dòng)皮帶機(jī)緩慢啟動(dòng)，讓皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在啟動(dòng)過程中形成的張力波極小，從而在不損害皮帶的情況下啟動(dòng)運(yùn)行。

2 變頻器原理

變頻器是結(jié)合了應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式來(lái)控制交流電機(jī)的電力控制設(shè)備。其基本原理如下：首先將電源的交流電經(jīng)過整流變換為直流電，再經(jīng)過逆變器把直流電源逆變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)節(jié)的交流電源。

采用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，可通過改變電壓與頻率而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電壓頻率滿足以下公式：

式中，n為轉(zhuǎn)速（r/min）；f 為輸入頻率（Hz）；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

上式表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作頻率成正比，通過改變電機(jī)工作頻率即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)目的。電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)可根據(jù)繞組大小變化，雙繞組電機(jī)通過切換繞組電源可實(shí)現(xiàn)速度的大范圍調(diào)整，變頻器即依據(jù)上述原理，利用半導(dǎo)體器件的通斷作用將電源工頻變換為可控制的另一頻率的控制裝置，具有技術(shù)調(diào)速范圍寬、精度高、節(jié)能效果好等顯著優(yōu)點(diǎn)。

3 傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)驗(yàn)算

原始參數(shù)：運(yùn)量Q＝1 640t/h，運(yùn)輸材料容重ρ＝0.9t/m3；帶寬B＝1 400 mm，帶速v＝3.15 m/s，電機(jī)功率P＝3×560kW，減速比i＝22.24；膠帶米自重qd＝60.5kg/m，運(yùn)距L＝846m，傾角β＝14.5°。

改造后：運(yùn)量Q＝1 640t/h，運(yùn)輸材料容重ρ＝0.9t/m3；帶寬B＝1 400mm，帶速v＝3.15m/s，電機(jī)功率P＝3×615kW，減速比i＝35.5；膠帶米自重qd＝60.5kg/m，運(yùn)距L＝846m，傾角β＝14.5°。

3.1 逆止力矩及制動(dòng)力矩計(jì)算

上托輥折算到單位長(zhǎng)度質(zhì)量：

其中，lt′0＝1.2m；G′＝47kg（按DX 系列輸送機(jī)托輥旋轉(zhuǎn)質(zhì)量表）。

下托輥折算到單位長(zhǎng)度質(zhì)量：

其中，lt″＝3m；G″＝39kg（按DX 系列輸送機(jī)托輥旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量表）。

逆止力：

FT＝［q×sinβ－（q＋2qd＋q′t＋q″t）ω×cosβ］L×g

FT＝［144.6×sin14.5°－（144.6＋2×60.5＋39.17＋13）×0.02×cos14.5°］×846×9.8≈249 155N

F′T＝1.3FT＝323 901.5N

以上為計(jì)算到驅(qū)動(dòng)滾筒上的逆止力。

∵制動(dòng)器、逆止器分別設(shè)在減速器輸入軸和第二傳動(dòng)軸上

3臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置輸入軸上每臺(tái)平均制動(dòng)力矩：

本次改造保持原來(lái)6 套制動(dòng)器（輸入軸上雙對(duì)輪，各一套制動(dòng)器），每套制動(dòng)力矩：

M ＝2×5 000N·m ＞M ＝2 767.6N·m

所以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 高速軸聯(lián)軸器強(qiáng)度校核計(jì)算

柱銷剪切強(qiáng)度τ：

柱銷擠壓強(qiáng)度σp：

其中，l＝240mm（柱銷長(zhǎng)度）。

因此，高速聯(lián)軸器滿足使用要求。

3.3 低速軸聯(lián)軸器強(qiáng)度校核計(jì)算

柱銷剪切強(qiáng)度τ：

柱銷擠壓強(qiáng)度σp：

外套的剪切強(qiáng)度τ1：

其中，D＝675mm（外套外徑），D3＝552mm（外套內(nèi)徑）。

因此，尼龍棒采用MC尼龍6材料，低速聯(lián)軸器采用45#鋼材料，均能滿足使用要求。

4 改造后實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)

4.1 節(jié)約電能

皮帶機(jī)電機(jī)功率615kW，平均每天運(yùn)行17h左右，日運(yùn)輸煤碳1.2萬(wàn)t。原設(shè)計(jì)采用直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)后電機(jī)全速運(yùn)行，而井下煤倉(cāng)下煤量達(dá)不到皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸能力，故皮帶上煤量不足，這樣很不經(jīng)濟(jì)，浪費(fèi)電能。使用變頻器對(duì)拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速后，皮帶運(yùn)輸機(jī)按實(shí)際需要功率出力，把變頻器輸出頻率設(shè)為39～49Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速比工頻速度適當(dāng)降低，就可以使皮帶運(yùn)行速度與井下煤倉(cāng)下煤量相匹配，同時(shí)降低了運(yùn)行電壓和電流，減小了電能消耗。據(jù)礦井統(tǒng)計(jì)，變頻調(diào)速運(yùn)行比直接工頻運(yùn)行可節(jié)約電能10%～15%。

4.2 節(jié)省維修費(fèi)用

原設(shè)計(jì)采用電機(jī)直接啟動(dòng)方式，不能調(diào)速，啟動(dòng)過程對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備沖擊較大，加劇了機(jī)械設(shè)備的磨損，縮短了設(shè)備使用壽命，同時(shí)也縮短了設(shè)備維修周期，增加了停產(chǎn)檢修次數(shù)。直接啟動(dòng)也造成控制設(shè)備如真空接觸器、開關(guān)等的頻繁更換，這都增加了維修費(fèi)用，停產(chǎn)檢修也造成了煤炭產(chǎn)量的損失。而采用變頻器后，可以實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備基本無(wú)沖擊，大大延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。

4.3 有效節(jié)約人力資源

采用變頻器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，除正常清潔維護(hù)，沒有大量的維修工作，故不必配備許多設(shè)備維修人員。變頻器操作簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，每班只需一人值班操作即可，節(jié)約了人力資源，相應(yīng)也提高了生產(chǎn)效率。

4.4 延長(zhǎng)皮帶使用壽命

采用變頻啟動(dòng)方式，通過增大設(shè)備轉(zhuǎn)矩使皮帶勻速啟動(dòng)，降低了皮帶因啟動(dòng)而產(chǎn)生的強(qiáng)大的拉力，減少了啟動(dòng)對(duì)皮帶接頭的損壞。

5 結(jié)語(yǔ)

變頻啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省空間、保護(hù)完善。根據(jù)皮帶電機(jī)數(shù)量可以組成2～6組的開關(guān)組合，能輸出1～3個(gè)回路，直接同時(shí)軟啟動(dòng)皮帶1～3臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接帶動(dòng)各自減速器就可使皮帶平穩(wěn)快捷運(yùn)行，省去了耦合器及相關(guān)設(shè)備，使空間增大，給檢修和維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)了極大的方便。新增加的水箱循環(huán)冷卻系統(tǒng)使得電機(jī)和減速器散熱更加良好、性能更加穩(wěn)定。

四臺(tái)礦主斜井強(qiáng)力皮帶變頻改造后，減少了配件的投入，也使電機(jī)啟動(dòng)速度平穩(wěn)。通過調(diào)節(jié)電阻降低了啟動(dòng)電流，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及對(duì)電機(jī)、減速機(jī)、負(fù)載的機(jī)械沖擊，解決了皮帶重載啟動(dòng)難的問題，延長(zhǎng)了皮帶電機(jī)、減速機(jī)的使用壽命，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大降低了事故發(fā)生率，同時(shí)開機(jī)率的提高不同程度上增加了煤炭產(chǎn)量，為全礦全年煤炭產(chǎn)量的完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］仲明振.低壓變頻器應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］李方園.變頻器控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.