權(quán)嗣威

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)，山西 介休 032000）

0 引 言

山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司統(tǒng)計全礦井運輸設(shè)備的總裝機負(fù)荷占礦井總負(fù)荷的2/5左右，而耗能占全礦井的1/3左右，是煤礦的耗能大戶，采用技術(shù)改造實現(xiàn)節(jié)能降耗在煤礦運輸系統(tǒng)將有比較大的節(jié)能潛力，據(jù)綜合分析運輸設(shè)備采用變頻調(diào)速節(jié)能可達(dá)到30%，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 現(xiàn)行狀況

煤礦井下大部分運輸皮帶機均為直接啟動，由于起動時間短，對轉(zhuǎn)動軸（受彎扭力）和減速器沖擊較大，加快減速器齒輪磨損，縮短了機械設(shè)備的使用壽命，同時，由于直接啟動時電機啟動電流大，對井下電網(wǎng)造成較大程度的影響；電機頻繁啟動會嚴(yán)重發(fā)熱，加速線圈老化，縮短電機壽命。基于以上原因，對紫金煤業(yè)井下幾處皮帶機進(jìn)行了技術(shù)改造，皮帶輸送機采用變頻驅(qū)動控制，實現(xiàn)全過程變頻調(diào)速。

煤礦井下開采作業(yè)的環(huán)境特點：作業(yè)空間狹小、潮濕，空氣中含有沼氣、粉塵等易燃易爆炸成分。按照《煤礦安全規(guī)程》的要求，在煤礦井下采掘工作面使用的電氣設(shè)備和控制設(shè)備，必須是符合煤礦井下環(huán)境應(yīng)用的隔爆型或本質(zhì)安全型設(shè)備。

紫金煤業(yè)材料巷皮帶機參數(shù)為：帶寬1 m；帶速，3.15 m/s；運量，800 t/h；使用兩套200 kW驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置的組成為：電機+液力偶合器+減速器+驅(qū)動滾筒。改造后驅(qū)動裝置的組成為（TBD-560M-32Y）：無齒輪永磁同步變頻電機+變頻器+聯(lián)軸器+驅(qū)動滾筒。

ZJT-250/660型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器(以下簡稱變頻器)適用于交流50 Hz、電壓660 V供電系統(tǒng)、250 kW及以下三相交流電動機的調(diào)速控制,具有啟動轉(zhuǎn)矩大、起停平穩(wěn)等特點，能實現(xiàn)交流電機在各種負(fù)載情況下的平滑啟動、調(diào)速、停車等,具有工作狀態(tài)屏幕顯示，過載、過電壓、欠電壓、缺相、過熱、漏電閉鎖等保護(hù)功能[1]。

2 變頻調(diào)速原理及主要實施方案

2.1 調(diào)速原理

三相異步電動機速度公式為[2]：n=(1-s)60f/p

式中：n為異步電動機的轉(zhuǎn)速；f為電源頻率；s為電動機轉(zhuǎn)差率；p為電動機極對數(shù)；

由公式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑調(diào)速。當(dāng)頻率f在0~50 Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速時注意變頻與調(diào)壓的配合，變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的。

皮帶機采用變頻驅(qū)動控制，解決在皮帶機啟動過程中軟起動和大于額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍下的重載起動，減少對皮帶和電網(wǎng)的啟動沖擊。在輕載或空載運行時自動降低皮帶機的運行速度，起到節(jié)電和減少對膠帶及托輥的機械磨損，并可配合皮帶張緊裝置完成皮帶機在停電狀態(tài)下放松皮帶，減少皮帶的疲勞，增加皮帶的使用壽命，實現(xiàn)低速驗帶及檢修、高速運行等功能。解決多臺電機拖動之間的功率平衡問題。

2.2 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器

ZJT-250/660型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器主要采用交-直-交方式，即先把工頻交流電源通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。

采用變頻器對皮帶機進(jìn)行驅(qū)動的優(yōu)越性有以下幾點：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1～3 600 s內(nèi)調(diào)整，皮帶機啟動時間通常在60～120 s內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定。啟動時間延長大大降低對帶強的要求，減少設(shè)備初期投資。實際應(yīng)用中，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(fù)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。由于煤礦的特殊生產(chǎn)條件，有時煤的產(chǎn)量是極不均勻的，皮帶機的運煤量也是不均勻的。在負(fù)載輕或無負(fù)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(yán)重，同時電能消耗也較低速運行大得多，只因生產(chǎn)的需要皮帶機系統(tǒng)又不能隨時停車。如果采用單獨的控制系統(tǒng)對前級運輸系統(tǒng)的載荷、本機運輸系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。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，提高生產(chǎn)效率。無中間減速器和液力耦合器環(huán)節(jié)，電機直接傳遞功率給傳動滾筒，采用ZL13柱塞聯(lián)軸器聯(lián)接。實現(xiàn)變頻軟起、啟動平穩(wěn)，對電網(wǎng)無沖擊，同時減少了對皮帶機結(jié)構(gòu)件的機械沖擊。省去了減速器、液力耦合器等部件的維護(hù)成本投入，節(jié)省了油脂消耗。8）減小電壓降（啟動電流仍為額定值）、降低了機械應(yīng)力（啟動扭矩仍控制在額定值）、變速、多電動機驅(qū)動時有良好的載荷分配能力，以及相當(dāng)高的傳動效率［3］。

公司大量礦井設(shè)備陳舊，運行耗電量過大，造成在設(shè)計過程中過多地考慮建設(shè)前、后期工藝要求的差異，選型裕量過大，使設(shè)備長期在低負(fù)載、低運行效率下工作。許多礦山位于電力供應(yīng)匱乏的偏遠(yuǎn)的地區(qū)，當(dāng)輸送機電動機在全電壓下啟動時，其啟動電流可能達(dá)到滿載電流的600%，這么大的增加量會引起很大的電壓降，對礦區(qū)的其他系統(tǒng)造成沖擊。有很多電機調(diào)速和啟動方法很落后，這種狀況不但浪費了大量電能，而且造成機械壽命降低，而變頻器可實現(xiàn)降壓啟動，電動機可啟動很慢，逐漸加速到全帶速。當(dāng)傳遞150%的電動機額定扭矩時也決不會超過滿載電流的150%。這樣啟動可大大降低對供電系統(tǒng)的要求,造不成對與帶式輸送機共用電源的其他關(guān)鍵設(shè)施的沖擊，因此，在企業(yè)推廣變頻調(diào)速的效益和潛力是非常巨大的，也符合當(dāng)前國家的能源改革。近些年來，變頻器在煤礦企業(yè)應(yīng)用越來越多，大多都是低壓變頻器。

皮帶輸送機是煤礦生產(chǎn)中重要的機電設(shè)備之一，但是由于皮帶機的運行需要大量電能的支持，尤其是長距離輸送，更是會耗費大量的能源，對輸送機內(nèi)部制動器的運行負(fù)荷也極大，因此，將變頻器應(yīng)用于煤礦皮帶輸送機中，實現(xiàn)長距離輸送狀態(tài)下的軟啟動、空載低速運行等，同時，在變頻器的作用下，輸送機的工作狀態(tài)相對穩(wěn)定，將達(dá)到連續(xù)、自動化運行的目的。

現(xiàn)場每臺電機配置一臺變頻器，各變頻器根據(jù)指令對各自的電機進(jìn)行獨立的控制，使各電機轉(zhuǎn)速相同、出力相同。見圖1?？刂七^程如下：

以其中的一臺變頻器為主機，其余的變頻器為從機，對變頻器的輸出電流進(jìn)行采樣比較，通過改變從機的控制信號，使其始終跟隨主機而變化。當(dāng)從機的電流大于主機時，降低從機的給定信號，從而使從機的輸出頻率減小，電機轉(zhuǎn)速降低，負(fù)荷減輕，電流變?。划?dāng)從機的電流小于主機時，提高從機的給定信號，從而使從機的輸出增大，電機轉(zhuǎn)速升高，負(fù)荷加大，電流變大。最終使電機負(fù)荷基本一致，電流在允許的范圍內(nèi)。

圖1 皮帶機變頻器主從控制簡圖

從目前變頻器使用情況來看，平均節(jié)電28%，在技改項目中變頻系統(tǒng)的投入和使用，是非常有效的節(jié)能手段。節(jié)省資金為煤炭行業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。該套系統(tǒng)成功投入運行以來，至今運行正常，沒有出現(xiàn)任何故障。

3 結(jié)束語

由于煤礦生產(chǎn)的特殊環(huán)境和安全上的特殊要求，變頻器在煤礦的應(yīng)用起步比較晚。隨著我國市場經(jīng)濟的深入發(fā)展，煤礦的增產(chǎn)、降耗、增效被提到了重要地位，設(shè)備節(jié)能改造勢在必行。

我國是世界上的產(chǎn)煤大國，又是能源貧乏的國家之一，而且也是噸煤電耗比較高的國家。我們要創(chuàng)造出一條以低能耗實現(xiàn)現(xiàn)代化的新路,節(jié)能降耗實為明智之舉。如果煤礦井下多數(shù)使用變頻調(diào)速裝置，節(jié)約能源的效果將是非?？捎^的。

[1] 金豐民.帶式輸送機實用技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012:2.

[2] 郁漢琪.電氣控制與可編程程序控制器應(yīng)用技術(shù)[M].江蘇：東南大學(xué)出版社，2003:6.

[3] 賴昌干.礦山電工學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006:9.