程寶平

（山西長(zhǎng)治市應(yīng)用技術(shù)研究院，山西 長(zhǎng)治 046011）

高平市姬家山煤礦斜井采用皮帶輸送機(jī)上行運(yùn)煤，皮帶輸送機(jī)由一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器及減速器同皮帶輸送機(jī)滾筒軸連接，采用手動(dòng)開關(guān)運(yùn)行方式。皮帶輸送機(jī)起動(dòng)后電機(jī)恒速運(yùn)行，皮帶的速度不能調(diào)整。由于皮帶輸送機(jī)電機(jī)長(zhǎng)期工頻運(yùn)行，不能軟起軟停、加之皮帶輸送機(jī)采用液力偶合器實(shí)現(xiàn)皮帶軟起動(dòng)，使得電網(wǎng)電壓的波動(dòng)劇烈，電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損大，設(shè)備的維護(hù)和維修工作量大、能耗高、費(fèi)用大，另外針對(duì)皮帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)間短、加載力大而引起的皮帶易斷裂和老化情況，不得不選用強(qiáng)度很高的皮帶，導(dǎo)致成本加大。為提高皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率、減少設(shè)備的維護(hù)和維修工作量，節(jié)約成本和能源，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研及對(duì)多個(gè)改造方案的初期投入費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用相比較，決定采用變頻器對(duì)皮帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造。

1 皮帶輸送機(jī)變頻改造前現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)基本情況

煤礦斜井長(zhǎng)360m，提升垂直高度為135m，斜井的坡度為22°，運(yùn)輸方式為上行運(yùn)煤。改造前的拖動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)→液力偶合器→減速器→皮帶輸送機(jī)滾筒軸→皮帶，皮帶輸送機(jī)起動(dòng)后電機(jī)工頻恒速運(yùn)行，手動(dòng)開關(guān)，皮帶的速度不能調(diào)整。

改造前皮帶輸送機(jī)電機(jī)及皮帶輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)：

電機(jī)型號(hào)：Y315S；額定功率：110kW；額定電壓：380V；額定電流：209A

額定轉(zhuǎn)速:960rpm；功率因數(shù)：cosφ=0.81；變頻范圍：10～50Hz

皮帶機(jī)型號(hào)：B650；帶速：1.5m/s；帶長(zhǎng)：360m；帶寬：650mm

1.2 現(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)工作原理及存在問題

皮帶輸送機(jī)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)滾筒軸，靠摩擦牽引皮帶運(yùn)動(dòng)，而皮帶則通過張力變形和摩擦力帶動(dòng)物體在支撐輥輪上運(yùn)動(dòng)。由于皮帶是彈性儲(chǔ)能材料，所以在皮帶輸送機(jī)停止和運(yùn)行時(shí)皮帶儲(chǔ)存有大量勢(shì)能，因此皮帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用軟起動(dòng)的方法，將皮帶內(nèi)部貯存的能量緩慢釋放，使皮帶機(jī)在起動(dòng)過程中形成的張力波降到最小，幾乎不對(duì)皮帶造成損害?，F(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)是通過采用液力耦合器來實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)的軟起動(dòng)，并且在皮帶輸送機(jī)起動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載起動(dòng)。該方法的缺點(diǎn)是，雖然采用了降壓空載起動(dòng)，但電機(jī)的起動(dòng)電流仍比較很大，達(dá)到400A 以上，這不僅引起電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)，還造成電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況

現(xiàn)場(chǎng)皮帶輸送機(jī)采用的電動(dòng)機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)。由于該皮帶輸送機(jī)是向上輸煤至地面，因此電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過減速器轉(zhuǎn)換后作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒軸上，并與上層皮帶自重沿傳輸面重力分量作用在皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轂上的力矩合成。合成的驅(qū)動(dòng)力矩與驅(qū)動(dòng)輪轂受到的皮帶摩擦力阻力合力矩相平衡。皮帶輸送機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，其電機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動(dòng)態(tài)，工作在第一象限；在皮帶上煤后，煤的重力沿皮帶傳輸方向的分力也作用在驅(qū)動(dòng)輪轂上，并使得驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增大；在驅(qū)動(dòng)力矩超過摩擦阻力力矩后，驅(qū)動(dòng)輪轂的轉(zhuǎn)速將加速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械連接使得電機(jī)轉(zhuǎn)子也加速轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度將超過同步轉(zhuǎn)速；電機(jī)處于正轉(zhuǎn)再生態(tài)，工作在第二象限。電機(jī)運(yùn)行在第一象限內(nèi)時(shí)為電動(dòng)態(tài)，其定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向同向，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能大部分由電磁轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上以機(jī)械能形式輸出。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在第二象限內(nèi)時(shí)為再生態(tài)，由于轉(zhuǎn)子切割磁力線的方向發(fā)生了改變，所以電機(jī)作用到轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向也發(fā)生改變，成為轉(zhuǎn)子的制動(dòng)阻力力矩。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子被負(fù)載的合成力矩拖著以低于同步轉(zhuǎn)速的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 皮帶機(jī)變頻改造方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到皮帶輸送機(jī)上行輸煤時(shí)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在兩個(gè)象限內(nèi)，所以選用的變頻器是二象限型變頻器。同時(shí)根據(jù)皮帶輸送機(jī)的工作情況，使選用的變頻器能夠在電機(jī)帶載起動(dòng)、空載起動(dòng)或停機(jī)時(shí)能夠輸出直流制動(dòng)力矩，保證皮帶機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)、停止，減小機(jī)械沖擊，最終確定選用由山西電神電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為UP10-132的變頻器。該變頻器技術(shù)數(shù)據(jù)如下。

額定功率：132kW；額定電壓：380V；額定電流：260A。

輸出頻率（變頻范圍）0～50Hz；調(diào)整精度為±1%Hz。

保護(hù)功能：具有過載、過流、漏電、斷相欠壓，過載能力為200%，60s。

改造后的拖動(dòng)方式為變頻器→電動(dòng)機(jī)→減速器→皮帶輸送機(jī)滾筒軸→皮帶。

改造中同時(shí)進(jìn)行了以下工作。

1）皮帶輸送機(jī)變頻改造自動(dòng)控制系統(tǒng)

皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用電氣柜控制或中控室PLC 控制。在中控室設(shè)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)，使用UP10變頻器組態(tài)軟件對(duì)皮帶輸送機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并使用該軟件的歷史數(shù)據(jù)記錄功能記錄歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。PLC 控制系統(tǒng)完成對(duì)變頻器的起、?？刂?，實(shí)現(xiàn)各電機(jī)等速起動(dòng)和同步控制，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過流、過載、短路、斷路檢測(cè)和保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶跑偏檢測(cè)、皮帶堆煤等保護(hù)。系統(tǒng)采用RS-485作為串行通信接口。另外，還匹配了煤流傳感器，可以根據(jù)煤流大小自動(dòng)調(diào)節(jié)皮帶帶速[1]。

2）皮帶輸送機(jī)變頻改造的電氣控制

在皮帶輸送機(jī)變頻改造后，將原有的工頻起動(dòng)電氣柜保留作為工頻旁路，以防止變頻器出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)。如果變頻器發(fā)生故障，則可以利用原有的工頻起動(dòng)柜應(yīng)急運(yùn)行，迅速轉(zhuǎn)換到電機(jī)直接起動(dòng)狀態(tài)。也即增加的變頻回路與原工頻回路并聯(lián)，組成雙回路可轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)[2]。

皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用“一拖一”工頻自動(dòng)旁路方案，如圖1所示（圖中QF 為原高壓開關(guān)柜內(nèi)帶綜合繼保的高壓斷路器）。工頻旁路主回路系統(tǒng)由兩個(gè)隔離開關(guān)QS1-QS2 和3 個(gè)真空接觸器KM1-KM3 組成，KM3 與KM2 電氣互鎖。當(dāng)電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)， KM1 、KM2 閉合，同時(shí)QS1、QS2 閉合；當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，KM3 閉合，同時(shí)KM1、KM2斷開。檢修變頻器時(shí)，要求QS1、QS2 斷開，使變頻器系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，保證檢修人員的人身安全。

3）變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)情況也可以分為電動(dòng)態(tài)起動(dòng)、再生態(tài)起動(dòng)和空載起動(dòng)。為了防止起動(dòng)時(shí)因?yàn)橥蟿?dòng)系統(tǒng)速度不為零而造成電機(jī)和變頻器發(fā)生過載情況，變頻器在電機(jī)起動(dòng)前預(yù)先輸出頻率為零赫茲的力矩電流，即變頻器對(duì)電機(jī)預(yù)先輸出一個(gè)直流力矩TL與負(fù)載力矩相平衡，保證拖動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)初速度為零，這樣變頻器起動(dòng)后逐漸升高輸出頻率，并保持輸出轉(zhuǎn)矩基本不變（視起動(dòng)后負(fù)載力矩情況而定），實(shí)現(xiàn)電機(jī)的帶載起動(dòng)。在變頻器輸出頻率到達(dá)設(shè)定頻率后，電機(jī)按該頻率下的特征曲線運(yùn)行。

4）皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用本地/遠(yuǎn)程兩種控制方式，即真空接觸器的分合操作可以由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，也可以在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制操作來完成。

現(xiàn)場(chǎng)控制：現(xiàn)場(chǎng)通過直接操縱工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器分合進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制操作。

遠(yuǎn)程控制：與DCS 直接連接，接受DCS 系統(tǒng)的控制。通過DCS 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制工頻旁路主回路系統(tǒng)真空接觸器的分合操作。

一是加大網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，提升農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持能力。“互聯(lián)網(wǎng)+”等新產(chǎn)業(yè)正在讓鄉(xiāng)村迸發(fā)出新活力。推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”，將有助于提升行業(yè)效率，加快構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，而這必然也離不開農(nóng)村地區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。二是加大鄉(xiāng)村道路建設(shè)。公路是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈。加快農(nóng)村公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)對(duì)帶動(dòng)貧困地區(qū)的旅游發(fā)展、加速農(nóng)特產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)、促進(jìn)貧困地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善農(nóng)民生活水平、促進(jìn)鄉(xiāng)村地區(qū)各產(chǎn)業(yè)特別是旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著十分重要的戰(zhàn)略意義。

圖1 變頻器“一拖一”工頻旁路方案

3 變頻改造后效益

3.1 節(jié)能效益

1）皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻時(shí)實(shí)際消耗的功率P1

式中，I1為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實(shí)際運(yùn)行電流（165A）；U為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實(shí)際運(yùn)行電壓（375V）；cosφ為皮帶輸送機(jī)電機(jī)工頻實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)（cosφ=0.95）

皮帶輸送機(jī)每天耗電量（按每日工作18h 計(jì)）：

2）節(jié)電率η：

皮帶輸送機(jī)變頻前后功率比為

ηP=(I1/I)3/η1/η2/η3=(165/209)3/0.95/0.8/0.96≈67.58%

式中，變頻裝置效率η1=0.95；考慮皮帶機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)下的效率會(huì)下降，取修正系數(shù)；η2為80%；考慮到其他損耗，取η3=0.96；皮帶輸送機(jī)電機(jī)的額定電流I=209A。

變頻改造后系統(tǒng)消耗功率為

式中，P0為皮帶輸送機(jī)電機(jī)額定功率；P2為變頻改造后系統(tǒng)消耗功率。

變頻后皮帶輸送機(jī)每天耗電量（按每日工作18h 計(jì)）：

變頻后相對(duì)于工頻運(yùn)行時(shí)的小時(shí)節(jié)電量為

變頻后皮帶輸送機(jī)電機(jī)每天節(jié)電量（按每日工作18h 計(jì)）為

皮帶輸送機(jī)電機(jī)變頻前后節(jié)電率η為

3）年節(jié)能量

變頻改造后運(yùn)行一年（按年工作300 天，每天18h，全年5400h 計(jì)）節(jié)省的電能為

一年節(jié)省的電費(fèi)為

148338kW·h×0.50 元/kW·h=74169 元（按每度0.50元計(jì)算）

3.2 其他效益

1）電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起、軟停運(yùn)行且起動(dòng)平滑，轉(zhuǎn)矩大，沖擊電流減小。

2）運(yùn)用變頻器的軟起動(dòng)功能，將電機(jī)的軟起動(dòng)和皮帶機(jī)的軟起動(dòng)合二為一，真正實(shí)現(xiàn)了皮帶輸送機(jī)軟起動(dòng)。

3）皮帶輸送機(jī)調(diào)速范圍廣，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不變，可實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)且安全可靠。

4）電機(jī)功率因數(shù)和皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率明顯提高。

5）解決了電網(wǎng)電壓的劇烈波動(dòng)、電機(jī)內(nèi)部機(jī)械沖擊劇烈、發(fā)熱和磨損等問題和以往液力偶合器維護(hù)工作量大，能耗高問題，延長(zhǎng)了電機(jī)和皮帶輸送機(jī)的使用壽命。

6）可根據(jù)負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，使得皮帶輸送機(jī)的能耗進(jìn)一步降低。

7）降低對(duì)皮帶帶強(qiáng)的要求，減少了皮帶損耗，節(jié)約了皮帶購(gòu)置成本。

4 結(jié)論

變頻改造后保證了煤礦正常生產(chǎn)和生產(chǎn)安全可靠性，提高了皮帶輸送機(jī)運(yùn)行效率，減少了皮帶輸送機(jī)維護(hù)和維修工作量，降低了皮帶輸送機(jī)維護(hù)和維修費(fèi)用，節(jié)約了能源、增加了煤礦的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了煤礦對(duì)皮帶輸送機(jī)變頻改造的預(yù)期目的，增強(qiáng)了煤礦進(jìn)一步技改的信心。

[1] UP10-132 變頻器用戶使用說明書.山西電神電器設(shè)備有限公司.

[2] 黨利軍.高壓變頻器在煤礦皮帶機(jī)上的應(yīng)用.變頻器世界,2010(4).