張國(guó)民

摘 要：礦用刮板輸送機(jī)是煤礦綜合機(jī)械化采煤成套裝備的重要組成部分，是煤礦綜采工作面負(fù)責(zé)“裝煤、運(yùn)煤、破煤”采煤工藝環(huán)節(jié)中的大型裝備，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)高端大功率刮板輸送機(jī)主要依賴進(jìn)口，因進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)壟斷，且在使用中1600kW CST減速器存在設(shè)計(jì)缺陷，售后服務(wù)不及時(shí)等，給煤礦安全和生產(chǎn)帶來(lái)了很多負(fù)面影響。為有效改變這種局面，神東煤炭集團(tuán)對(duì)世界最大功率的3×1600kW礦用刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)部由CST改為變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：變頻移變；高壓變頻器；1600kW減速器；輸送機(jī)

中圖分類號(hào)：TD528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

神東煤炭集團(tuán)目前在用的刮板輸送機(jī)有67套，從功率等級(jí)分主要有3×700kW、 3×855kW、3×1000kW、3×1200kW、2×1000kW+2×1000kW（放頂煤）、3×1600kW，以TTT或CST進(jìn)行軟啟動(dòng)的占80%，變頻啟動(dòng)及運(yùn)行的占20%。其中變頻驅(qū)動(dòng)方式的刮板輸送機(jī)國(guó)內(nèi)外只有3×1000kW可以實(shí)現(xiàn)。神東在用的3×1600kW刮板輸送機(jī)全是以CST進(jìn)行軟啟動(dòng)，經(jīng)使用發(fā)現(xiàn)1600kWCST減速器存在設(shè)計(jì)缺陷，故障率高，維護(hù)工作量大，維護(hù)成本高，且不可以長(zhǎng)時(shí)間工作在低速模式下。無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速功能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨普及，變頻技術(shù)應(yīng)用于煤礦刮板輸送機(jī)也日益成熟。變頻技術(shù)的引入便于實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)、自動(dòng)化控制、電機(jī)功率平衡等，省去了TTT或CST電機(jī)至減速器間的直接對(duì)輪聯(lián)接，提高設(shè)備的機(jī)械性能，同時(shí)對(duì)神東的數(shù)字化礦井管理提供了有力保障。

1 3×1600kW礦用刮板輸送機(jī)改造方案及工作流程

改造系統(tǒng)組成及工作原理：

新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)礦用隔爆型移相式移動(dòng)變電站、BPJV1-2000/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器、1600kW減速器、限矩摩擦離合器、變頻電纜等。系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)如圖1所示和電氣系統(tǒng)如圖2所示。

整套改造系統(tǒng)由10kV高壓電分別提供給三臺(tái)礦用隔爆型移相式移動(dòng)變電站，經(jīng)變壓輸出2×1903V（兩回路輸出，每?jī)上嘞辔唤窍嗖?0度，頻率50 Hz）向變頻器供電，每臺(tái)變頻器需要單獨(dú)配備的移動(dòng)變電站來(lái)供電。變頻器對(duì)輸入電壓進(jìn)行變頻輸出控制，使電動(dòng)機(jī)的輸入電壓頻率為0Hz-50 Hz，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速控制。

2 KBSGZY-X-2500/10/2×1.903礦用隔爆型移相式移動(dòng)變電站

移動(dòng)變電站主要由高壓真空配電裝置、變壓器部分、低壓保護(hù)箱組成。高壓側(cè)采用真空永磁斷路器，低壓側(cè)有接地監(jiān)控，高、低壓開(kāi)關(guān)按國(guó)家相關(guān)要求配備保護(hù)，組成低壓故障分?jǐn)喔邏旱囊苿?dòng)變電站系統(tǒng)。移動(dòng)變電站為變頻器提供交流380V（7kVA以上容量，三相四線輸出，中性點(diǎn)不接地）輔助電源及相應(yīng)的保護(hù)。高、低壓開(kāi)關(guān)具有清晰準(zhǔn)確，可靠的分合閘指示和電流、電壓、絕緣電阻運(yùn)行工況及故障顯示，具有故障自診斷和記憶功能；并能顯示累計(jì)帶電運(yùn)行時(shí)間和過(guò)載跳閘次數(shù)。變壓器采用C級(jí)絕緣，冷卻方式為ANAN。變壓器側(cè)面均采用瓦楞散熱?？沙惺苷髌髦C波引起的溫升；變壓器裝設(shè)有溫度監(jiān)控元件，對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)超過(guò)保護(hù)溫度時(shí)主斷路器應(yīng)跳閘切斷電源。設(shè)有可靠的機(jī)械及電氣閉鎖裝置，并加裝停電上鎖裝置。系統(tǒng)原理如圖3所示。

2.1高壓真空配電裝置

高壓真空配電裝置選用北京朗威達(dá)PBG1-630/10礦用隔爆型真空配電裝置，主要由以下部分組成：隔爆箱、斷路器和PLC 智能型綜合保護(hù)器（包括人機(jī)屏GOT）。箱體前門(mén)應(yīng)裝有PLC、GOT、信號(hào)取樣檢測(cè)板等，前門(mén)設(shè)有液晶顯示窗，顯示高壓開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和各種故障狀態(tài)。面板還設(shè)有參數(shù)設(shè)定按鈕及過(guò)載、短路、復(fù)位、急停、電合、電分、手分等操作按鈕，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和功能操作。

高壓隔離開(kāi)關(guān)腔內(nèi)裝有高壓隔離開(kāi)關(guān)，并設(shè)有觀察窗。箱體上設(shè)有隔離開(kāi)關(guān)分合閘手柄、機(jī)電閉鎖裝置。用工業(yè)可編程序控制器（PLC）和人機(jī)屏（GOT）系統(tǒng)，參數(shù)設(shè)置靈活方便、動(dòng)作性能靈敏可靠、運(yùn)行和故障畫(huà)面直觀簡(jiǎn)明。PLC 智能型綜合保護(hù)器具有系統(tǒng)自檢、故障診斷巡檢及記憶功能，有RS485通訊接口、能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和傳送數(shù)字化運(yùn)行狀態(tài)及故障指示，能實(shí)現(xiàn)與礦井的其它設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化聯(lián)機(jī)功能。

具有過(guò)壓、欠壓、短路、過(guò)載、超溫、漏電及接地保護(hù)、并可實(shí)現(xiàn)自檢，且對(duì)低壓側(cè)反饋來(lái)的故障進(jìn)行保護(hù)，低壓出線腔具有開(kāi)門(mén)閉鎖功能（開(kāi)門(mén)斷開(kāi)高壓），高壓側(cè)按鈕具有機(jī)械的停電上鎖保護(hù)裝置，避免誤操作；具有變壓器溫度保護(hù)及顯示功能，有4mA-20mA溫度模擬量輸出（pt100+變送器+24VDC開(kāi)關(guān)電源）。真空斷路器采用“永磁機(jī)構(gòu)式”斷路器，具有欠壓延時(shí)0.5-1s。

2.2變壓器部分

變壓器鐵芯采用三相三柱全斜接縫結(jié)構(gòu)，5級(jí)步進(jìn)多級(jí)疊片方式，降低了空載電流、空載損耗、局部磁飽和及噪聲。線圈采用多層圓筒式結(jié)構(gòu)，使線圈絕緣沖擊耐受能力進(jìn)一步增強(qiáng)。使用軸向分裂式線圈，使Y接和D接繞組對(duì)稱，阻抗平衡，輸出功率平衡。采用高性能硅鋼片（27QG120），較低工作磁密設(shè)計(jì)（小于1.45T），使鐵芯承受過(guò)電壓（電網(wǎng)電壓+15%）與諧波（30%）影響不飽和。加強(qiáng)匝絕緣、層間絕緣及主絕緣強(qiáng)度，采用先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品完全能承受諧波引起的各種過(guò)電壓絕緣沖擊。繞組設(shè)計(jì)采用較低的電流密度和科學(xué)的導(dǎo)線寬厚比，降低諧波作用引起的渦流等附加損耗；增加線圈散熱氣道和寬度，保證繞組在諧波的影響下繞組的熱穩(wěn)定。

采用12脈波移相整流，使一次側(cè)僅含12K±1次諧波，降低二次輸出電壓偏差（≤0.5%），大大降低了諧波含量（10%左右）。在高、低壓線圈間增加屏蔽，阻擋一、二次繞組間的容性耦合，可以提高繞組的漏抗（短路阻抗大于8%），降低了高次諧波對(duì)電網(wǎng)及其它設(shè)備的影響，同時(shí)有效抑制了整流管的di/dt，保護(hù)了整流管。

2.3低壓側(cè)保護(hù)箱

礦用隔爆型移變低壓側(cè)保護(hù)箱采用北京朗威達(dá)XBD-2×1250/3.3（1.903）Y （實(shí)際使用電壓為1903V，獨(dú)立兩路400A 輸出，保護(hù)等級(jí)按照3300V電壓等級(jí)）。低壓側(cè)保護(hù)設(shè)有過(guò)載、短路、過(guò)壓、欠壓、超溫、斷相等保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接地漏電監(jiān)測(cè)、漏電閉鎖、自檢功能、漏電實(shí)驗(yàn)功能。低壓出線腔內(nèi)配置門(mén)結(jié)構(gòu)，開(kāi)門(mén)斷高壓電。采用電纜連接器引線輸出的方式，配套使用victor電纜連接器，預(yù)留4個(gè)引出位置，配備兩套引出裝置，每套對(duì)應(yīng)型號(hào)分別為：（出線端）螺栓式電纜插座 3300V/500A， （出線端）螺栓式電纜插頭 3300V/500A。

2.4 7kVA容量輔助控制電源變壓器

在隔爆變壓器腔內(nèi)增設(shè)一組獨(dú)立的3相/10kV輸入，3相380V四線制輸出 /7kVA容量輔助控制電源變壓器（見(jiàn)后面附圖）。7kVA容量輔助控制電源變壓器的高壓輸入側(cè)設(shè)有過(guò)流保護(hù)功能，且將三只高壓快速熔斷器放到高壓開(kāi)關(guān)隔爆腔內(nèi)。技術(shù)參數(shù)如下：容量：7kVA；一次電壓：10kV；額定電流：0.404A；高壓繞組結(jié)構(gòu)型式：多層圓筒式繞組；二次電壓：380/220V 3相四線制輸出，中性點(diǎn)不接地；額定電流：10.64A；聯(lián)結(jié)方式及標(biāo)號(hào)：Yyn0；變壓器額定情況下二次輸出電壓偏差：<1%；絕緣材料耐熱等級(jí)：C；冷卻方式：ANAN。

3 BPJV1-2000/3.3礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓變頻器

變頻器采用ABB公司ACS1000控制技術(shù)，該控制系統(tǒng)采用成熟的微處理控制技術(shù)來(lái)監(jiān)控電機(jī)的電磁狀態(tài)，配合直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）可以達(dá)到近乎完美的無(wú)傳感器電機(jī)控制，外加脈沖編碼器反饋后，可以應(yīng)用于精確的速度控制，或長(zhǎng)期運(yùn)行于接近零速區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合。變頻器系統(tǒng)框圖如圖4所示。

變頻器電氣系統(tǒng)主要由主回路、控制單元、控制面板、冷卻系統(tǒng)及外圍電路等幾大部分組成。變頻器為交-直-交、電壓源型變頻器。

變頻系統(tǒng)整流部分采用12脈沖整流技術(shù)，直流回路電壓是兩組6脈沖整流電壓的疊加。

變頻器逆變部分采用技術(shù)成熟的三電平逆變輸出方案，系統(tǒng)每個(gè)橋臂由4 個(gè) IGCT 加上 2 個(gè)中性箝位二極管組合而成。IGCT集IGBT（絕緣門(mén)極雙極性晶體管）的高速開(kāi)關(guān)特性和GTO（門(mén)極關(guān)斷晶閘管）的高阻斷電壓和低導(dǎo)通損耗特性于一體，IGCT的高速開(kāi)關(guān)能力無(wú)需緩沖電路，所需的功率元件數(shù)目更少，運(yùn)行的可靠性大大增高。

可控有源 LC 低通濾波器可以降低所有逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)對(duì)電機(jī)的諧波。

3.1主電路設(shè)計(jì)

三相交流電通過(guò)三繞組變壓器對(duì)整流橋供電（如圖5所示）。為了獲得12脈波整流，變壓器兩個(gè)的副邊繞組之間存在30℃的相位差。一個(gè)繞組為星形接法，另一個(gè)繞組為角形接法。

兩個(gè)無(wú)熔斷器的整流橋串聯(lián)連接，直流電壓為兩整流橋的疊加。兩個(gè)整流橋均流過(guò)全部直流電流。

為進(jìn)行三電平切換運(yùn)行，三相逆變器的每個(gè)橋臂由2個(gè)IGCT組成： IGCT的輸出電壓在正直流電壓、中性點(diǎn)（NP）和負(fù)直流電壓之間切換。因此，采用DTC技術(shù)，就可以對(duì)輸出的電壓和頻率在0 ～最大值之間進(jìn)行連續(xù)的控制。

在變頻器的輸出加一個(gè)低通LC濾波器，減小輸出電壓中的諧波含量。采用LC濾波器之后，輸送給電機(jī)的電壓波形接近于正弦波（如圖6所示）。因此，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)可以直接按額定容量使用。該濾波器還消除了dv/dt的影響，因而電機(jī)電纜中電壓的反射和電機(jī)絕緣的損害影響很小。

變頻器輸出側(cè)的低通LC濾波器依靠電流反饋來(lái)控制運(yùn)行。允許通過(guò)的低頻頻率恰好低于逆變器輸出側(cè)所采用最低的開(kāi)關(guān)頻率。提高輸送給電機(jī)的電壓和電流的純度由此可以帶來(lái)許多很重要的優(yōu)點(diǎn)：

（1）消除諧波造成的發(fā)熱。變頻器可以直接拖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中壓電機(jī)，而不需要考慮發(fā)熱降容因素。

（2）發(fā)生在電機(jī)輸入端子的電壓反射和相關(guān)聯(lián)的電壓加倍現(xiàn)象不再出現(xiàn)（由于高頻分量已經(jīng)不再存在）。 因此可以適用于所有標(biāo)準(zhǔn)中壓繞組絕緣系統(tǒng)。

（3）電機(jī)電纜的長(zhǎng)度沒(méi)有限制（與其它電氣設(shè)備一樣，正常的電壓降依然存在）。

（4）電機(jī)軸承損壞的容性耦合高頻電流不再存在。

（5）消除了共模電壓的影響，因此與其它傳動(dòng)設(shè)備不同，不需對(duì)電機(jī)的絕緣加以特別的考慮。

充電電阻在變頻器上電時(shí)限制直流回路的電流。當(dāng)直流電壓達(dá)到79%額定值時(shí)，IGCT導(dǎo)通，充電電阻被旁路掉。保護(hù)IGCT的主要作用就是在出現(xiàn)故障時(shí)迅速關(guān)斷，以保護(hù)整流橋。

逆變器的共模電流由共模電抗器進(jìn)行限制，并通過(guò)共模抑制電阻進(jìn)行衰減。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，共模電抗器可以對(duì)通過(guò)變壓器副邊電纜、直流回路、輸出濾波器和變頻器內(nèi)部接地母排流動(dòng)的共模電流提供全面的抑制。另一方面，對(duì)于主回路直流電流幾乎沒(méi)有任何限制，主電流可以自由通過(guò)。

3.2控制系統(tǒng)

直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC）是交流傳動(dòng)的一種獨(dú)特的電機(jī)控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問(wèn)題。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過(guò)控制電流、磁通等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既直接又簡(jiǎn)化。逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由電機(jī)的核心變量磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制中，每只IGCT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)地由磁通和轉(zhuǎn)矩的值決定的，而不是象傳統(tǒng)PWM磁通矢量傳動(dòng)中預(yù)先確定的矩陣來(lái)控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)。DTC功能塊圖如圖7所示。

測(cè)量的電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入，該模型每25微秒產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值。電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較器將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較，磁通比較器將磁通實(shí)際值與磁通給定調(diào)節(jié)器的給定值作比較。依靠來(lái)自這兩個(gè)比較器的輸出，優(yōu)化脈沖選擇器決定逆變器的最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)。逆變器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著傳動(dòng)可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。

3.3保護(hù)功能

變頻器的保護(hù)功能分可編程的故障保護(hù)功能和已編程的故障保護(hù)功能。

可編程的故障保護(hù)功能有：電機(jī)繞組溫度保護(hù)、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠壓保護(hù)

已編程的故障保護(hù)功能有：過(guò)壓保護(hù)、電機(jī)缺相保護(hù)、輸入缺相保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、逆變器短路保護(hù)、接地故障、控制軟件故障、測(cè)量丟失、通訊故障、外部急停保護(hù)

3.4系統(tǒng)監(jiān)控與通訊系統(tǒng)

一個(gè)完整的變頻器需要硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)，軟件程序的執(zhí)行快慢，將直接影響到變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能，同時(shí)，軟件的通訊系統(tǒng)也是不可忽視的重要部分，本系統(tǒng)采用485、CAN 以及工業(yè)以太網(wǎng)等接口通訊方式即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，又可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備集中控制運(yùn)行，還可將運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至地面調(diào)度室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4減速器及限矩摩擦離合器

為了保證新開(kāi)發(fā)的行星減速與進(jìn)口CST減速器的互換性，減速器的輸入、輸出連接尺寸必須與電機(jī)側(cè)及刮板輸送機(jī)機(jī)架側(cè)吃寸相同。平行減速器采用圓錐齒輪-斜齒輪-行星輪傳動(dòng)減速，垂直減速器采用純行星齒輪傳動(dòng)減速。使平行減速器與垂直減速器的減速比相等，并保證減速器比與CST減速器相同，減速比為39.11。減速器設(shè)有高速軸承溫度傳感器、低速軸軸承傳感器、油溫傳感器，并集中配置接線盒便于集中顯示及控制。

在電機(jī)與減速器之間使用限矩摩擦離合器，取消了彈性聯(lián)軸器，增加了刮板輸送機(jī)過(guò)載及卡鏈條時(shí)對(duì)電機(jī)的保護(hù)，大大提高的電機(jī)的使用壽命。

結(jié)語(yǔ)

3×1600kW刮板運(yùn)輸機(jī)變頻改造及應(yīng)用，為我國(guó)煤礦調(diào)速設(shè)備提供一套節(jié)能增效、高精度轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)，它的研發(fā)和實(shí)施可為我國(guó)的礦井安全生產(chǎn)，特別是井下大功率刮板運(yùn)輸機(jī)等調(diào)速設(shè)備提供有力的技術(shù)保證與支持。第一套刮板輸送機(jī)變頻改造2012年11月份在大柳塔煤礦52303大采高工作面刮板輸送機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，截止2014年4月7日該工作面回撤，過(guò)煤量1200萬(wàn)噸。日最高產(chǎn)量達(dá)5萬(wàn)噸。第二套刮板輸送機(jī)變頻改造2013年8月25日在大柳塔煤礦52305工作面使用，截止2014年7月份該工作面回撤，過(guò)煤量719萬(wàn)噸；第三套2014年4月份在大柳塔煤礦52302工作面使用。截止10月份過(guò)煤量520萬(wàn)噸。根據(jù)實(shí)際使用，大功率變頻刮板輸送機(jī)調(diào)速性能好、可靠性高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率平衡性能好、極低的維護(hù)量和維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)，為今后神東煤炭集團(tuán)研究8.8m超大采高工作面的變頻刮板輸送機(jī)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)煤礦行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]佚名.世界首套3×1600KW變頻刮板運(yùn)輸機(jī)在神東煤炭集團(tuán)成功運(yùn)行[J]. 變頻技術(shù)應(yīng)用， 2013 （01）：39-39.