變頻技術(shù)在刮板輸送機中的應(yīng)用研究

閻斌斌

0 引言

隨著科技的發(fā)展，煤炭開采行業(yè)的技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了以拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)控制采煤工作面的大型綜采設(shè)備、支護(hù)設(shè)備和運輸設(shè)備。近幾年來，由于國家政策導(dǎo)向作用，大力鼓勵建設(shè)大型及特大型高產(chǎn)高效礦井，煤礦井下綜采工作面的設(shè)備功率越來越高，刮板輸送機功率的不斷提高，導(dǎo)致刮板輸送機起動及運行過程中，遇到了諸多問題。例如輸送機在運行時受到動態(tài)張力和靜阻力的作用，力的作用會導(dǎo)致輸送機與傳送帶之間的產(chǎn)生相對滑動，并產(chǎn)生了大量的熱能。這種現(xiàn)象不僅造成了能耗的增加，而且還降低了輸送機在運行過程中的安全性。通過對刮板輸送機進(jìn)行變頻技術(shù)，在很大程度上解決了輸送機在運行過程中遇到的難題。

1 刮板輸送機驅(qū)動存在的問題及變頻調(diào)速技術(shù)改造

刮板輸送機在煤礦井下的主要作用是作為采煤機運行軌道的同時負(fù)責(zé)運送煤炭，刮板輸送機是否可以無故障平穩(wěn)運行，直接關(guān)系到采煤工作面的生產(chǎn)連續(xù)性，一般來說，刮板輸送機在運行過程中遇到的問題主要包括：（1）負(fù)載重時起動困難；（2）在起動過程中輸送機收到的機械沖擊大；（3）在起動過程中輸送機受到強大的電流沖擊；（4）輸送機機頭與機尾的負(fù)載不均衡；（5）輸送機運行時頻繁的工頻點動及刮卡堵轉(zhuǎn)[1]。刮板輸送機的驅(qū)動方式主要有三種：軟起動器驅(qū)動；雙速軟起動器驅(qū)動；雙速磁力起動器驅(qū)動。各種驅(qū)動方式均有利弊，都需要進(jìn)行完善改進(jìn)。各種驅(qū)動方式對比如表1所示。采用變頻調(diào)速技術(shù)是為了實現(xiàn)改變電動機轉(zhuǎn)速的目的，按照電動機轉(zhuǎn)速和工作電源輸入頻率之間成正比例的關(guān)系，通過改變電動機工作時電源的輸入頻率實現(xiàn)調(diào)速。電動機有直流電動機和交流電動機之分，變頻調(diào)速只是針對交流電動機而言的。刮板輸送機進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造后可以實現(xiàn)如下五點功能[2]。

（1）控制電動機的起動電流。刮板輸送機在運行過程中如果以工頻直接起動，電機會在瞬間產(chǎn)生7～8倍的額定電流，這個強大的電流會使電動機線圈繞組之間的電應(yīng)力急劇增加，電應(yīng)力的存在會使線圈繞組產(chǎn)生熱量，最終導(dǎo)致線圈繞組老化，影響線圈使用壽命。使用變頻技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后，電動機可以在零速零電壓的狀態(tài)下起動，當(dāng)電機的頻率和工作電壓之間的關(guān)系確定之后，變頻器就可以按照V/F、矢量控制方式或直接轉(zhuǎn)矩控制帶動負(fù)載進(jìn)行工作。使用變頻技術(shù)進(jìn)行改造后的電機可以在很大程度上減小起動電流，降低強大的起動電流對電網(wǎng)的沖擊，延長了電機繞組線圈的使用壽命。

表1 煤礦常用刮板輸送機驅(qū)動方式比較

（2）可控的加速功能。未進(jìn)行改造前，電動機以工頻起動，電機的加速過程不受控制，這對于電機以及和電機相連的軸承和齒輪都會產(chǎn)生強烈振動，軸承和齒輪長時間受到這種振動的作用，加快了機械設(shè)備的磨損，縮短了機械設(shè)備及其各零部件的使用壽命，增加了煤炭生產(chǎn)成本，制約煤礦發(fā)展。使用變頻技術(shù)進(jìn)行電機改造后，變頻調(diào)速可以保證電機零速起動，并根據(jù)煤礦井下刮板輸送機使用的實際情況進(jìn)行平穩(wěn)加速，電機的整個加速狀態(tài)是可控制的，可選擇直線加速，多種曲線加速。通過變頻改造后大大降低了電機在起動過程中對機械設(shè)備及個部件的沖擊[3]。

（3）起動過程轉(zhuǎn)矩提升。刮板輸送機電機在工作過程中會產(chǎn)生繞組電阻，繞組電阻的存在會導(dǎo)致電機在低速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩降低，為了把電機在運轉(zhuǎn)時低頻范圍增大，采用轉(zhuǎn)矩提升法（轉(zhuǎn)矩補償法）。在使用時采用變頻技術(shù)改造過后的輸送機時，電機在加速過程中電壓會自動升高用來補償由于起動所損失的轉(zhuǎn)矩，保證了電動機加速過程的順利進(jìn)行。此外，還可以根據(jù)輸送機的電機的負(fù)載特性（主要指負(fù)載起動特性）進(jìn)行手動補償，手動補償轉(zhuǎn)矩的關(guān)鍵在于變頻器的選取，經(jīng)過分析試驗驗證表明，變頻器采用起動預(yù)勵磁技術(shù)，輸送機電機起動轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到2倍額定轉(zhuǎn)矩，解決了輸送機電機在負(fù)載較重時難以起動的問題。

（4）可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的輸送機運行速度。在進(jìn)行變頻技術(shù)改造后逆變器實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)差損耗，保證了輸送機在調(diào)速過程中的快捷高效，輸送機在運行時可以進(jìn)行電流和電壓的無級調(diào)速。當(dāng)存在電力危機時，輸送機電機可以根據(jù)輸送機負(fù)載變化規(guī)律改變交流電源的頻率，實現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)電機速度的目的[4]。一般來說，可以根據(jù)工作面的實際情況，運用變頻調(diào)速技術(shù)將刮板輸送機分為兩個檔位運行，即工作狀態(tài)和空載或停機狀態(tài)。輸送機工作時，變頻器頻率設(shè)置為50Hz，輸送機空載或停機時，變頻器設(shè)置為低速運行，經(jīng)過這種變頻技術(shù)改造，大大降低了刮板輸送機在空載或停機時的能量損耗，節(jié)能量達(dá)到了30%[5]。

（5）實現(xiàn)了刮板輸送機在運行過程中的功率平衡。刮板輸送機在運行中功率平衡主要指的是輸送機機頭和機尾實現(xiàn)同步停起和輸送機各部位鏈輪之間的平衡。要實現(xiàn)輸送機功率平衡，首先需調(diào)整電動機的兩個變頻器，經(jīng)過調(diào)整變頻器之后，兩部電動機的速度可實現(xiàn)協(xié)調(diào)配合，保證了輸送機電機之間的速度差，維持了電機中電流值的平衡。

2 使用變頻技術(shù)改造輸送機過程中遇到的問題及解決方法

使用變頻技術(shù)對輸送機進(jìn)行改造后會遇到如下問題。

（1）變頻器在使用過程中會導(dǎo)致集中控制裝置產(chǎn)生雜音。針對這一問題，使用變頻器前可以對變頻器進(jìn)行改造，在變頻器中增加濾波器和電抗器，經(jīng)過這種改造可以保證在使用變頻器時集中控制裝置正常運行，語音系統(tǒng)清晰度明顯增加。

（2）驅(qū)動機頭電機變頻器C相IGBT炸毀。造成這種現(xiàn)象的主要原因是輸送機在進(jìn)行變頻改造初期調(diào)試時，存在刮卡堵轉(zhuǎn)問題。通過修改電流時間保護(hù)曲線，可以實現(xiàn)對輸送機電機和變頻器的有效保護(hù)[6]。

（3）變頻器在起動過程中會造成煤礦井下移動變電站低壓側(cè)保護(hù)箱的漏電保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動作。為了解決這一問題，煤礦采用的措施是把高頻電容并在低壓漏電保護(hù)側(cè)與大地之間，這種措施徹底解決了低壓側(cè)漏電保護(hù)裝置誤動作問題。

3 結(jié)論

刮板輸送機在經(jīng)過變頻技術(shù)改造后，設(shè)備性能的穩(wěn)定性和可靠性得到了大幅度的提升，很好地解決了起動電流過大、起動過程中機械沖擊大、運行過程中功率難以平衡等一系列問題。這對于煤礦的安全生產(chǎn)和建設(shè)高產(chǎn)高效礦井都具有重要意義。