1引言

皮帶機在煤礦的使用非常普遍。皮帶機上的皮帶是一個彈性體，因此，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，大功率皮帶機必須加設(shè)軟啟動裝置。目前煤礦采用的軟啟動裝置絕大部分是液力耦合器，還有使用CST（集變速箱，耦合器，電液控制為一體）。液力耦合器雖然能部分解決皮帶機的軟啟動問題，但還是存在維護工作量大，能耗高，對皮帶強度要求高等弊端。隨著高壓變頻技術(shù)的不斷進步和完善，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)液耦的位置。

2用戶基本介紹

同煤集團（大同煤礦集團公司）是國家大型國有煤礦企業(yè)，公司擁有煤田面積6157平方公里，總儲量892億噸。“十二五”期間，同煤集團實現(xiàn)總資產(chǎn)、總投資和銷售收入三個千億目標，打造全國100強、世界500強、煤電一體化、產(chǎn)業(yè)多元化、發(fā)展國際化的綜合能源集團。

同煤集團鐵峰煤業(yè)公司成立于2003年，洗煤廠是其下屬公司之一。洗煤廠采用斜井皮帶運輸機由井下向地面運煤，年產(chǎn)煤約600萬t，皮帶長500m，皮帶傾斜角19°～24°，皮帶拖動電機為兩臺，功率為560kW，電機基本參數(shù)如表1所示。皮帶機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。洗煤廠有時需要皮帶機重載啟動。這些工況要求電機起動控制設(shè)備能穩(wěn)定可靠運行，同時要有較強的過載能力，能適應(yīng)較大范圍的電壓波動。

圖1皮帶機結(jié)構(gòu)示意圖

原設(shè)計皮帶電機為液力耦合器起動，液耦在運行中存在以下問題：

（1）采用液力耦合器，電機必須先空載啟動。工頻啟動時，最初電流很大，為電機額定電流的4～7倍。大的啟動瞬間電流會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，引起電機內(nèi)部機械應(yīng)力和熱應(yīng)力發(fā)生變化，對機械部分造成嚴重磨損甚至損壞。同時還將引起電網(wǎng)電壓下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備的正常運行。

（2）液力耦合器長時工作時，引起液體漏出，維護工作量大，影響生產(chǎn)。

（3）采用液力耦合器時，皮帶機的加載時間較短，容易引起皮帶張力變化，因此對皮帶帶強要求較高。

綜合以上考慮，礦領(lǐng)導決定皮帶機電機采用高壓變頻器調(diào)速控制。

主井皮帶機是全礦的流程中樞，一旦皮帶機不能正常工作，將造成全礦停產(chǎn)，且會造成巨大經(jīng)濟損失。另外高壓變頻器須安裝在環(huán)境相當惡劣，煤灰比較重，粉塵大的場合。因此要求高壓調(diào)速系統(tǒng)具有極高的可靠性、穩(wěn)定性、防護性?；谝陨瞎ぷ魈攸c，變頻器設(shè)計中須滿足的如下主要技術(shù)條件：

（1）高壓變頻器具有高可靠性、穩(wěn)定性、防護性。

（2）變頻器具有工頻運行的旁路功能，一旦出現(xiàn)故障，能夠讓電機切換到工頻運行。

（3)高壓變頻器能夠軟停止功能。啟動過程要求平穩(wěn)，無沖擊。

（4)變頻器的輸出力矩不小于電動機2倍額定力矩，滿足負載變化大的承受能力和煤炭壓帶時的再起動的能力。

（5）須滿足煤礦電控系統(tǒng)的功能接口和監(jiān)控要求。

（6)能夠?qū)崿F(xiàn)驗帶功能。

經(jīng)過對國內(nèi)外各種高壓變頻器調(diào)研、比較，最后以招標方式選擇了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器2套作為皮帶機的控制設(shè)備。

3皮帶機的工作原理和特點

皮帶機通過驅(qū)動輪鼓，靠摩擦牽引皮帶運動，皮帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。皮帶是彈性儲能材料，在皮帶機停止和運行時都儲存有大量勢能，這就決定了皮帶機的啟動時應(yīng)該采用軟啟動的方式。鐵峰洗煤廠采用液力耦合器來實現(xiàn)皮帶機的軟啟動，在啟動時調(diào)整液力耦合器的機械效率為零，使電機空載啟動。雖然采用了降壓空載啟動等方法，但電機的啟動電流仍然很大，不僅會引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動，還會造成電機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時采用液力耦合器軟起皮帶時，由于啟動時間短、加載力大容易引起皮帶斷裂和老化，要求皮帶的強度高。加之液力耦合起長時間工作會引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況發(fā)生，不僅會加大維護難度和成本、污染了環(huán)境，影響了煤礦生產(chǎn)。

4風光皮帶機變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

4.1風光高壓變頻器的基本配置情況

根據(jù)現(xiàn)場情況，需要使用高壓變頻器實現(xiàn)皮帶系統(tǒng)的軟啟動和調(diào)速運行，要求變頻器具有重載啟動、主從電機轉(zhuǎn)矩均衡控制等功能，并要求變頻器具有高可靠性。

鐵峰洗煤廠選用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的2臺JD-BP38系列高壓變頻器，對皮帶傳動系統(tǒng)進行控制。該系列高壓變頻器具有以下特點：

（1）采用完美無諧波的單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，具有較低的電網(wǎng)電流諧波，滿足電網(wǎng)對電能質(zhì)量的嚴格要求，輸出線電壓為33電平，無需使用輸出濾波器，可采用普通異步電動機。

（2）采用無速度傳感器矢量控制方式，啟動力矩大，并有效避免由于負載波動導致的變頻器過流故障。

（3）配置轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)功能可實現(xiàn)對多電機驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩實時均衡控制。

（4）可配置2倍以上電流過載能力，可滿足大慣量系統(tǒng)的重載啟動要求。

（5）風光高壓變頻器對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un），采用單元故障自動旁路、星點漂移技術(shù)、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、相間短路等多項完善的保護功能技術(shù)，提高了抗電網(wǎng)波動和負載擾動能力，大大提高產(chǎn)品在煤礦皮帶機應(yīng)用現(xiàn)場的可靠性。

4.2風光高壓變頻器配置參數(shù)

鐵峰洗煤廠皮帶機配置電機2臺，皮帶機改造選用風光JD-BP38-2000P高壓變頻器2臺、并配置手動旁路柜，用于變頻/工頻切換。采用“一拖一”變頻控制。風光JD-BP38-2000P變頻器參數(shù)如表2所示：

4.3雙擊聯(lián)動協(xié)調(diào)控制

此方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機，將各個電機定子繞組直接分別接在兩臺變頻器輸出測；雙機聯(lián)動同步運行變頻系統(tǒng)是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證雙電機的轉(zhuǎn)速以及功率平衡。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。雙機拖動方案中，變頻器對電機的轉(zhuǎn)矩都能獨立控制，變頻器主從之間可以自動來調(diào)整變頻器輸出功率一致。

雙擊聯(lián)動控制過程如下：

根據(jù)用戶要求，現(xiàn)場采用2臺2000kW變頻器分別控制2臺560kW高壓電機，如圖2所示，如果選用1#變頻器為主變頻器，2#變頻器為從變頻器，由操作臺發(fā)給主變頻器給定頻率值，主從變頻器之間采用ModBus總線通信，1#變頻器作為主控，檢測1#和2#電機的運行電流，發(fā)出輸出轉(zhuǎn)矩給定值，控制2#變頻器同步運行。通過對兩臺變頻器的輸出電流進行采樣比較，通過改變2#機的控制信號，使其始終跟隨1#機而變化。當2#電機的電流大于1#電機時，降低2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉(zhuǎn)速降低，負荷減輕，電流變小；當2#電機的電流小于1#電機時，提高2#變頻器的給定信號，從而使2#電機轉(zhuǎn)速升高，負荷加大，電流變大。最終使兩個電機負荷基本一致，電流在允許的范圍內(nèi)。

圖2皮帶機變頻器主從控制簡圖

皮帶機變頻改造后，將原有的電氣柜保留作為工頻旁路，液力耦合器拆除，采用聯(lián)軸器電動機直接與皮帶聯(lián)接。高壓變頻器主回路控制如圖3所示。

圖3皮帶機高壓變頻器主回路控制圖

皮帶機高壓變頻器現(xiàn)場運行照片如圖4所示。

圖4皮帶機高壓變頻器現(xiàn)場運行照片

5皮帶機變頻電控系統(tǒng)的工作過程

皮帶機在井下并不是單獨使用，往往是多部輸送機一起工作，因此啟動順序必須是前一級設(shè)備啟動后，下一級設(shè)備方可啟動。在前級閉鎖解除后，對皮帶電控系統(tǒng)的各部狀態(tài)進行檢測判斷，具備起車條件后，才能啟動。皮帶電控系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

圖5皮帶電控系統(tǒng)控制原理

（1）起車時，皮帶電控首先對皮帶系統(tǒng)傳送過來的信號進行判斷，如跑偏、堆煤、縱撕、急停閉鎖等，若各信號正常才能進入下一程序；其次，根據(jù)皮帶機頭各傳感器返回的信號檢測制動閘及各開關(guān)狀態(tài)是否正常；最后，判斷皮帶張力是否在允許啟動范圍內(nèi)。

（2）當皮帶機各部分都處于正常狀態(tài)，具備起車條件，才會發(fā)出啟動信號。當發(fā)出起車指令后，變頻器起動。操作臺發(fā)出變頻運行信號，變頻器按操作臺給定的運行信號輸出頻率和電壓變化的電源，控制電機按給定的“S”形曲線軟啟。

（3）與此同時，操作臺發(fā)出指令使抱閘打開，并檢測抱閘是否完全打開。若抱閘未打開或未完全打開，將關(guān)閉運行信號，同時給變頻器抱閘信號使變頻器急停，防止變頻器因堵轉(zhuǎn)而出現(xiàn)過流跳閘。

（4）當皮帶達到額定速度，電控系統(tǒng)實時檢測皮帶速度與滾筒速度，當二者速度差值超過規(guī)定值，緊急停車，并發(fā)出打滑報警信號。

（5）系統(tǒng)實時檢測電機溫度、減速器溫度、軸承溫度、皮帶張力、電機電流、抱閘狀態(tài)、變頻狀態(tài)、PROMOS狀態(tài)等，當任一項指標或狀態(tài)不正常時，系統(tǒng)緊急停車并報警。

6采用高壓變頻器對皮帶機進行驅(qū)動的效果

變頻器2012年11月調(diào)試完畢投入使用至今，沒有發(fā)生故障停機，運行狀態(tài)良好。皮帶機采用變頻器后，具體來說，有以下好處：

（1）真正實現(xiàn)皮帶機軟啟動。通過電機慢速啟動帶動皮帶機緩慢啟動，將膠帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，可將輸送機啟停時產(chǎn)生的沖擊減至最小，幾乎對膠帶不造成損害。

（2）降低膠帶帶強。由于變頻器啟動時間可以在1～3600s內(nèi)調(diào)整，皮帶機啟動時間通常在60～120s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定。由于降低了啟動沖擊，機械系統(tǒng)的損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒壽命大大延長。

（3）實現(xiàn)皮帶機多電機驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩平衡。多電機驅(qū)動時采用主從或協(xié)調(diào)柜控制方式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡。

（4）驗帶功能。低速驗帶功能是皮帶機檢修的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)為無極調(diào)速的交流傳動系統(tǒng)，在空載驗帶狀態(tài)下可調(diào)整0～100%額定帶速范圍內(nèi)的任意帶速。

（5）平穩(wěn)的重載啟動。變頻器低頻運轉(zhuǎn)可輸出2.2倍額定力矩，適于重載啟動。

（6）自動調(diào)速。變頻器配合煤流傳感器可以根據(jù)負載輕重自動調(diào)節(jié)膠帶速度，節(jié)電的同時還減少了膠帶的磨損。

（7）節(jié)能。對應(yīng)于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時，煤的產(chǎn)量是極不均勻的，當然皮帶機系統(tǒng)的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統(tǒng)的高速運行對機械傳動系統(tǒng)的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大得多，但因生產(chǎn)的需要皮帶機系統(tǒng)又不能隨時停車，可生產(chǎn)情況控制變頻器降速或升速。對于載荷不均的皮帶機系統(tǒng)，可節(jié)約電能、降低皮帶的磨損。經(jīng)過實時統(tǒng)計，在皮帶機運煤量相同的情況下，采用變頻后比原工頻節(jié)電20%以上。

7結(jié)束語

皮帶機的驅(qū)動系統(tǒng)采用山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器后，對皮帶進行集中自動控制，實時對皮帶各種情況進行監(jiān)測，并配合自動控制系統(tǒng)有效解決了皮帶運輸過程中的跑偏、堆煤、超溫等問題，有力地保證了運輸皮帶的穩(wěn)定運行，同時降低了能耗。現(xiàn)場應(yīng)用表明，利用技術(shù)先進、成熟可靠的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動煤礦皮帶機，可大大提高皮帶機控制自動化程度，降低現(xiàn)場維護量，帶來可觀的效益，值得大力推廣。