煤礦運(yùn)輸機(jī)中變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

楊杰 毛震

【摘 要】交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)因其有先進(jìn)的調(diào)速方式和顯著的節(jié)能效果而得到了廣泛應(yīng)用。文章通過介紹變頻器的原理，說明了變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦運(yùn)輸機(jī)中應(yīng)用的可行性和合理性。

【關(guān)鍵詞】變頻調(diào)速技術(shù)；煤礦運(yùn)輸機(jī)；交流電動(dòng)機(jī)

Mine Conveyor Application Frequency technology

Yang Jie，Mao Zhen

（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）

【Abstract】AC motor frequency control technology for its advanced speed way and significant energy savings and has been widely used. The article introduces the principle of the inverter shows the frequency conversion technology in coal mine application feasibility and rationality of transport.

【Key words】Frequency Control Technology；Coal transport；AC motor

1. 前言

（1）隨著現(xiàn)代國內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的不斷成熟和提高，變頻器在我國礦山機(jī)電設(shè)備中得到越來越廣泛的應(yīng)用。我礦的上倉強(qiáng)力皮帶輸送機(jī)原采用工頻拖動(dòng)，液力偶合器傳動(dòng)，存在傳動(dòng)效率低、啟動(dòng)電流沖擊及機(jī)械沖擊大等問題，造成了系統(tǒng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)；皮帶和液力偶合器磨損嚴(yán)重，維修及維護(hù)成本高；由于是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，很難做到多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率平衡。因此對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)采用變頻控制，能有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；控制系統(tǒng)本身良好的控制性能和完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，能有效避免事故的發(fā)生和延長皮帶機(jī)的使用壽命。本文簡要介紹了煤礦強(qiáng)力皮帶輸送機(jī)的變頻控制改造及使用情況。

（2）交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)簡單說就是根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變交流電機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速的一種技術(shù)方法，因其有先進(jìn)的調(diào)速方式和顯著的節(jié)能效果，而得到了廣泛應(yīng)用。尤其是煤礦生產(chǎn)企業(yè)中變頻器的應(yīng)用更是廣泛。在煤炭行業(yè)中使用的生產(chǎn)機(jī)械絕大部分是通過電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)的，如采煤機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、提升機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備都采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，而運(yùn)輸機(jī)更是煤礦生產(chǎn)中的主要運(yùn)輸工具，在露天煤礦的煤炭作業(yè)中，最重要的環(huán)節(jié)就是運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)。該環(huán)節(jié)能否正常運(yùn)行直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的能力的發(fā)揮，因此，如何合理有效的對(duì)運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行正確的監(jiān)控就十分重要。隨著電力電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也大大得到了提高?，F(xiàn)在工業(yè)中應(yīng)用的變頻器技術(shù)已經(jīng)具有性能高、功能多及小型廉價(jià)等特點(diǎn)，由于變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)、鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)等方面的優(yōu)越表現(xiàn)，將其應(yīng)用到煤礦運(yùn)輸機(jī)方面已是勢在必行。本文說明把變頻器應(yīng)用到煤礦運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的必要性，并以煤礦運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)為例，討論變頻調(diào)速技術(shù)在這方面的應(yīng)用。

2. 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器主體、電抗器及輔助器件組成，各器件之間相互配合完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度控制、故障保護(hù)等功能。變頻器主體采用可控硅整流，并采用若干IGBT功率器件組成逆變器，由交流供電經(jīng)上級(jí)饋電開關(guān)進(jìn)入整流模塊，整流成直流，然后進(jìn)濾波電容后進(jìn)入IGBT把直流逆變?yōu)檫m當(dāng)頻率、相位和電壓的交流電來給電機(jī)供電。

2.2 然而，根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=60flp（1s），可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)差率s一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電動(dòng)機(jī)電流的頻率f1成正比。所以要想平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，只要連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以。但當(dāng)FI發(fā)生變化時(shí)電動(dòng)機(jī)的其它參數(shù)也會(huì)相應(yīng)的改變，其他參數(shù)一旦改變，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性就會(huì)發(fā)生變化，這樣的結(jié)果就是得不到滿意的調(diào)速特性。要想解決這個(gè)問題，根據(jù)電機(jī)學(xué)的知識(shí)，需配合著調(diào)節(jié)定子電壓。由電機(jī)學(xué)異步電動(dòng)機(jī)定子電壓平衡方程式：U1=EI+I121。

定子感應(yīng)電勢的有效值為：E1 4.44flwlOmkwl。

f1：定子頻率；w1：定子的繞組系數(shù)；φm：主磁通；kwl：定子繞組串聯(lián)匝數(shù)；I1：定子電流；z1：定子等效阻抗。

忽略定子壓降，有：

UI≈EI=4.44flwlφmkwl∝c4flφm。

2.3 根據(jù)以上表述，當(dāng)fI下降時(shí)，n下降，φm也下降。當(dāng)U1不變時(shí)，則U1-E1增大，Im增加。一般電機(jī)工作在額定頻率時(shí)，磁路已經(jīng)接近飽和，φm的增加會(huì)使電機(jī)的磁路過分飽和，導(dǎo)致Im急劇地增大。其后果是大大降低了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。由此分析可以看出，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用可以良好地解決這個(gè)問題，使電動(dòng)機(jī)獲得滿意的調(diào)速特性。

3. 煤礦運(yùn)輸機(jī)的特性

對(duì)運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的研究表明，運(yùn)輸負(fù)載特性是恒速負(fù)載。運(yùn)輸機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)在不同的低速扭矩下速度幾乎是不發(fā)生變化的。在煤礦的整個(gè)生產(chǎn)過程，特別是在煤礦，材料的正常運(yùn)送下，運(yùn)輸機(jī)均勻性的特點(diǎn)是不變的，只是負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)引起扭矩的變化。此外，整個(gè)生產(chǎn)過程中的運(yùn)輸，輸送帶的速度幾乎是相同的。運(yùn)輸模式，從操作的角度來看，是零功率，電源，或接近零功率，負(fù)電源。運(yùn)輸長度幾公里到幾十米甚至幾十公里的長度短。此外，低速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也應(yīng)該有其職能的經(jīng)驗(yàn)。在冬季也有一個(gè)長期低速運(yùn)行的功能。因此，運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的的系統(tǒng)。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是矢量控制系統(tǒng)具有良好的高速性能和低長期運(yùn)行。速度反饋可以預(yù)先給定的速度，扭矩是通過目前的監(jiān)測和控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)，甚至可以根據(jù)實(shí)際需要引進(jìn)張力測量和控制過程，使整個(gè)交通系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

4. 煤礦運(yùn)輸機(jī)的變頻調(diào)速應(yīng)用分析

（1）運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械和電氣系統(tǒng)，重載高速，并在轉(zhuǎn)型過程中的啟動(dòng)制動(dòng)，運(yùn)輸，傳送帶將有很大的動(dòng)態(tài)張力，可能會(huì)導(dǎo)致全部或部分的皮帶滑動(dòng)，導(dǎo)致傳動(dòng)皮帶強(qiáng)大的表面和驅(qū)動(dòng)滾筒墊磨損和熱量，使皮帶和輥之間的粘附系數(shù)降低，甚至難以啟動(dòng)和運(yùn)行。張力下移動(dòng)的輸送帶，減少了安全系數(shù)，增加了負(fù)載張緊裝置，附加位移，并有很大的影響，甚至產(chǎn)生很大的機(jī)械損壞。

（2）運(yùn)輸機(jī)的整體工作過程分為三個(gè)階段：初級(jí)階段決定所需的時(shí)問影響整個(gè)輸送帶的靜態(tài)電阻驅(qū)動(dòng)滾筒階段實(shí)施，需要從過去的輥傳動(dòng)滑輪的靜態(tài)電阻組反映回來的時(shí)間來決定；在起動(dòng)的一瞬間，靜阻力變?yōu)閯?dòng)阻力，帶段開始運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，由于靜態(tài)到動(dòng)態(tài)電阻的突變，使輸送帶產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致輸送帶截面內(nèi)的動(dòng)張力上升。起動(dòng)過程中的運(yùn)輸，皮帶張力初始張力的基礎(chǔ)上增加，在驅(qū)動(dòng)滾筒的驅(qū)動(dòng)器輸入的推動(dòng)力傳送帶周圍的切入點(diǎn)，并促進(jìn)返回輸送。運(yùn)輸階段是由初級(jí)階段啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，這個(gè)過程中的運(yùn)輸機(jī)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，因?yàn)槭褂玫慕涣麟姍C(jī)的特點(diǎn)，往往在輸送帶出發(fā)時(shí)，產(chǎn)生最大的過程中的動(dòng)態(tài)張力。輸送帶是一個(gè)粘彈性體，在驅(qū)動(dòng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生粘彈性變形，由于不穩(wěn)定而產(chǎn)生動(dòng)張力，同時(shí)輸送帶在起動(dòng)前各部分的靜阻力各不相同，是一個(gè)逐級(jí)起動(dòng)的過程。對(duì)輸送帶中的某一帶段來說，只有它兩端的拉力差大于它所受的靜阻力時(shí)，才會(huì)起動(dòng)。當(dāng)輸入的驅(qū)動(dòng)力突變時(shí)，對(duì)輸送帶會(huì)產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生峰值張力，它和運(yùn)輸機(jī)的長度，運(yùn)行阻力，輸送帶的力學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān)。最有效的調(diào)整辦法是通過變頻驅(qū)動(dòng)裝置改變驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械特性，使輸入平穩(wěn)變化，以消除峰值張力。

（3）在非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，輸送帶除受靜張力作用之外，還受速度變化引起的附加動(dòng)張力的作用。運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)后阻轉(zhuǎn)矩的大小與傳輸速度無關(guān)，屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。當(dāng)動(dòng)張力與靜張力疊加在一起時(shí)，這種情況會(huì)引起驅(qū)動(dòng)滾筒處運(yùn)輸機(jī)張力的急劇增大，使運(yùn)輸機(jī)的工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至使輸送帶滾筒和電機(jī)及其它部件損壞，導(dǎo)致運(yùn)輸機(jī)無法工作。加入變頻調(diào)速技術(shù)控制后的系統(tǒng)在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻系統(tǒng)具有的變頻調(diào)速裝置首先改變供電電壓的頻率使電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速特性改變，按照系統(tǒng)事先設(shè)定好的時(shí)間范圍慢慢由零轉(zhuǎn)速增大到運(yùn)行速度，整個(gè)過程對(duì)電網(wǎng)無沖擊，啟動(dòng)過程平穩(wěn)可靠，大大延長運(yùn)輸機(jī)電機(jī)的使用壽命、減少運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修工作任務(wù)量。使用中，重載平穩(wěn)起動(dòng)效果明顯，本變頻調(diào)速系統(tǒng)還增加了速度調(diào)整功能，智能的根據(jù)運(yùn)輸機(jī)上的煤炭的重量對(duì)運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不管負(fù)荷大小都可智能的加以區(qū)分，并根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，將電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)輸機(jī)的起動(dòng)合二為一，慢速起動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)緩慢起動(dòng)，慢慢釋放皮帶內(nèi)部貯存的能量，使運(yùn)輸機(jī)在起動(dòng)過程中產(chǎn)生的張力化解掉，這樣可對(duì)皮帶的損害降到最小。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行后，整個(gè)運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的故障明顯減少，托輥及滾筒的壽命延長，并且實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)的功率平衡。

5. 經(jīng)濟(jì)效益

5.1 節(jié)約電能。

皮帶機(jī)電機(jī)功率為3×250kw，平均每天運(yùn)行12h左右.原設(shè)計(jì)采用直接起動(dòng)，起動(dòng)后電機(jī)全速運(yùn)行，而井下煤倉下煤量達(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39hz～40hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速比工頻速度適當(dāng)降低，就可以使皮帶運(yùn)行速度與井下煤倉下煤量相匹配，同時(shí)降低了運(yùn)行電壓和電流，減小電能消耗。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%。

5.2 節(jié)省維修費(fèi)用。

原設(shè)計(jì)采用電機(jī)直接起動(dòng)，不能調(diào)速，起動(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)。直接起動(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)備基本無沖擊，大大延長設(shè)備使用壽命。自2008年10月投運(yùn)至今近兩年，一直穩(wěn)定運(yùn)行，除正常清潔維護(hù)外，沒有發(fā)生停產(chǎn)檢修故障，這無疑節(jié)約了維修成本又保證生產(chǎn)不受損失。

5.3 有效減少人力資源、降低了設(shè)備的維護(hù)量。

變頻器是一種電子器件的集成，它將機(jī)械的壽命轉(zhuǎn)化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設(shè)備維護(hù)量。同時(shí)，利用變頻器的軟起動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)的軟起動(dòng)，起動(dòng)過程中對(duì)機(jī)械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部份的檢修量。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。變頻器操作簡單方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，每班只需1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[5]。

6. 結(jié)束語

（1）防爆變頻調(diào)速裝置投入運(yùn)行后，我礦整個(gè)上倉強(qiáng)力輸送機(jī)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的事故明顯下降，既延長了整個(gè)膠帶輸送機(jī)系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)又保證了正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

（2）總之，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造后的傳統(tǒng)煤礦的運(yùn)輸機(jī)電控系統(tǒng)，具有設(shè)備體積小、調(diào)速范圍大、調(diào)速特性好、無級(jí)調(diào)速、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的節(jié)能降耗作用，還能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)踐證明，它不僅擁有較高的性價(jià)比，而且大大提高了皮帶機(jī)的可靠性，降低了機(jī)械系統(tǒng)損耗，同時(shí)減少了運(yùn)輸系統(tǒng)的維護(hù)量，且節(jié)能明顯，在煤礦中值得推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭永存.頭部雙滾筒分別驅(qū)動(dòng)膠帶輸送機(jī)電機(jī)功率配比的研究[J].煤礦機(jī)械.1995年03期.

[2] 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用技術(shù)[m].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000.

[3] 吳耀偉.皮帶機(jī)軟啟動(dòng)裝置plc控制方法[J].《科技資訊》.2011年04期.

[4] 魏蕾.基于plc及變頻調(diào)速器的多電機(jī)控制研究[d].大連交通大學(xué).2010年.

[5] 李良仁.變頻調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用[m].電子工業(yè)出版社.2004.

[6] 張燕賓.變頻器功能解析一電動(dòng)機(jī)特性的控制功能[u]. 變頻器世界，2004，（10）.

[7] 李玉瑾.運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及理論計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2000，（3）.

[文章編號(hào)]1619-2737（2015）05-31-372