李金海，梁曉林，張巍川

1 前言

在灰?guī)r礦山，開采出的灰?guī)r首先經破碎車間破碎，再經過出料膠帶機、中間膠帶輸送機、下行膠帶輸送機輸送至廠區(qū)的灰?guī)r預均化堆場（見圖1）。

破碎車間設10kV配電站，并為破碎車間、出料膠帶機、中間膠帶輸送機、下行膠帶輸送機的尾部驅動等配電，下行膠帶輸送機的頭部驅動由廠區(qū)配電站供電。

膠帶輸送機的總輸送長度為4610m，高度差為160m，最大輸送速度為3.5m/s，額定輸送能力為1800t/h。下行膠帶輸送機的高度差為165.5m。

2 下行輸送系統(tǒng)傳動方式的選擇

下行輸送采用能量回收的運輸方式，不損失制動能量或使制動能量轉換成熱能，因此需要區(qū)分定速和變速兩種不同的運行方式。

2.1 定速運行和能量回收

圖1 工藝流程圖

下行輸送時，定速傳動裝置（如鼠籠感應電動機或繞線式電動機）接入電網通電后，由于其轉子的速度必須小于電機的同步速度（定子磁場旋轉速度），輸送物料下行時，膠帶輸送機上的物料產生的下滑力與電動機的輸出力疊加，使電動機的轉子速度高于同步速度，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)。

在定速傳動情況下，不需要在電機上安裝任何附加的裝置就可以當電動機使用。在低于同步速度時，相對于電網頻率的轉差為負值，這時電動機只是一個驅動電動機，它驅動荷載并從電路中吸取能量。當荷載驅動電動機高于電網頻率時，如下行膠帶輸送機一樣，轉差將為正值，電動機就處于發(fā)電狀態(tài)，通過四象限變頻裝置將電能返回電網。

在可調速情況下，下行膠帶輸送機驅動裝置通過四象限變頻裝置，就能實現電動機與發(fā)電機狀態(tài)的良好轉換。這種方法既可以滿足調速的要求，也可以進行電能再生。

2.2 驅動裝置的比較

2.2.1 定速驅動裝置

鼠籠感應電動機具有非常有限的制動能力，只能用于小型設備中。制動電機只能采取關斷、機械制動或用反向電流進行制動，而反向電流制動方法不常用，因為反向電流制動在換向的一瞬間會施加一個很大的反向扭矩，引起膠帶打滑，使返回電網中的電流高于允許值。

出料膠帶機輸送距離短，電機功率小，本方案中采用鼠籠感應電動機，采用直接起動或軟起動方式。

2.2.2 調速驅動裝置

本方案中下行膠帶輸送機以調速驅動裝置為基礎，它具有四象限（4Q）性，矢量控制，不僅可以實現正向加速和制動，反向加速和制動，同時速度可調低至零速，降低膠帶輸送機打滑的可能性，采用四象限變頻裝置，甚至可以做到定位控制。

下行輸送系統(tǒng)通常根據驅動電機的功率決定電機的電壓等級。一般情況下，容量在1000kW或以上的下行膠帶輸送機，特別是輸送距離較長的輸送機采用10kV或6kV；容量在315～1000kW之間采用690V；容量在315kW以下的采用380V。不管電機采用何種電壓等級，能量均可以回收，實現節(jié)約能源的目的。

3 基本情況（表1）

4 驅動方法

4.1 可供選擇的驅動方法

輸送機的驅動方案可為單驅動或多驅動系統(tǒng)。單驅動系統(tǒng)由獨立變頻器組成，包括整流器和逆變器；而多驅動采用一個共同的整流器和DC母線，但逆變器是獨立的，它的控制是相互獨立的。驅動方案的選擇基本取決于輸送機中對驅動裝置的布置。按照目前的方案，下行膠帶輸送機尾部兩臺驅動電機采用多驅動裝置，下行膠帶輸送機頭部的一臺驅動電機采用單驅動裝置。

本項目中下行膠帶輸送機的驅動電機功率為315kW，可以選擇380V的變頻裝置，也可以選擇690V的變頻裝置。采用380V的變頻裝置，直接連接至電力室的低壓母線上，其功率單元的電流是690V的2倍，功率單元及逆變器的價格較高；采用690V的變頻裝置，會增加整流變壓器（容量約為450kVA左右），但功率單元的電流僅是380V的1/2，功率單元及逆變器的價格相對較低。綜合比較，采用690V變頻裝置比較經濟（需要說明的是，不同的品牌價格不一樣）。

在這個項目中，分別在破碎車間附近、下行膠帶輸送機尾部（中間膠帶輸送機頭部）和下行膠帶輸送機頭部各設置了一個電力室，電力室距驅動電機的距離小于100m。

4.2 變速驅動方法

4.2.1 單驅動配置的基本原理（圖2）

頭部變頻裝置由10kV配電站、10/0.72kV配電變壓器、濾波裝置、功率單元、逆變器等組成。

4.2.2 多驅動系統(tǒng)的基本原理

與單驅動裝置不同，多驅動系統(tǒng)帶有自己的整流器、DC母線和逆變器。多驅動系統(tǒng)在“中心”單元產生所需的DC電壓，并將其輸入共用DC母線中，母線連接專用的、獨立運行的逆變器。單驅動所要求的所有性質多驅動也具備。對于多個驅動裝置放置在同一個地點的膠帶輸送機來說，帶有共用DC母線的多驅動系統(tǒng)是最佳選擇。如果系統(tǒng)擁有一個以上膠帶輸送機，那么驅動裝置將被固定放置在轉運點上，以便兩條輸送帶的傳動裝置可以連接成一個多驅動系統(tǒng)，但每一個系統(tǒng)必須單獨考慮以找到最佳設計方案。

表1 膠帶輸送機的技術參數

圖2 頭尾部變頻驅動方案

與共用DC母線相連接的獨立變頻器不必具有相同的額定功率，相反，多驅動機組可由大小完全不同的驅動裝置組成，功率輸出以及電動機速度也可以不同?？偟碾姍C額定安裝功率不應超過中心輸入饋電電橋的額定功率。所有獨立電動機的端電壓應是相同的，因為可變的變頻器輸出電壓取自共用的DC母線。每個變頻器單獨與總控制系統(tǒng)相連接，這樣才能對電動機獨立控制。每個變頻器模塊具有四象限驅動的固有電容。

5 控制方案

下行膠帶輸送機長4127.207m，在頭端裝有一臺額定功率為315kW/690V的電動機，尾部裝有兩臺額定功率為315kW/690V的電動機。三臺電動機完全相同，可以互換，所以只需一臺備用電動機。

多驅動系統(tǒng)設置在下行膠帶輸送機的尾部電力室，采用一臺容量為1000kVA的變壓器。兩臺電動機分別裝有獨立的逆變器，逆變器與共用的DC母線相連。這些逆變器的運行是彼此獨立的，并帶有各自的Profi?bus-DP與計算機控制系統(tǒng)相連。

6 安全防護

6.1 緊急制動

下行膠帶輸送機所用的防護方法與其他下行或上行輸送設備所用的方法相同。運行時，載有物料的下行反饋輸送機必須保證供電防止停機，驅動裝置的供電中斷和機械損壞都會引起膠帶和荷載失控，正確進行制動則是防止這種情況發(fā)生的關鍵。實際上，所有高度發(fā)生變化的輸送機，除了驅動裝置自己提供的制動力外，還需要一個機械制動裝置，該裝置可在驅動裝置無法制動時使用，并對停止后的輸送機起固定作用。

對于下行膠帶輸送機來說，還需要施加一個調節(jié)扭矩，使荷載以合適的速率減速。扭矩過高會造成膠帶應力過高，并在制動膠帶輥和膠帶之間出現打滑。當膠帶輥和膠帶之間的阻力下降且膠帶起動打滑時，情況就會變得很危險，這時幾乎無法將膠帶停下來。這就是為什么要用驅動裝置以正常的制動方式施加一個20s的調節(jié)扭矩的重要性，這種扭矩也可用制動器施加。通過測定并比較兩個速度值可檢測膠帶是否打滑。第一個速度可在驅動電動機上或驅動輥上測得，另一個是輸送機系統(tǒng)的空轉速度或直接從膠帶上測得。如果檢查出膠帶打滑，應立即松開制動直到兩個測速點上的速度相同，隨后通過調節(jié)制扭矩重新制動。另外，制動器必須能夠提供足夠的固定力，使裝滿物料而又停運的輸送機安全地保持靜止。

6.2 用機械制動調節(jié)制動扭矩

只用電動機來制動相對較簡單，因為制動扭矩與電動機（發(fā)電機）的電流有直接的關系，只要調節(jié)電流就可直接調節(jié)扭矩。而在緊急情況下使用的機械制動需要一些附加的機械調節(jié)裝置才能施加合適的制動扭矩。要做到這點需結合使用荷載傳感器，這些傳感器測定制動扭矩，然后通過液壓系統(tǒng)將正確的制動信息提供給盤式制動器，在這些信息的基礎上，施加合適的制動扭矩而不會給膠帶施加應力。

6.3 膠帶控制

膠帶輸送機系統(tǒng)要求有一個包括驅動控制器和膠帶控制系統(tǒng)控制的控制系統(tǒng)。驅動控制器提供起動、運行和停止所需的速度和扭矩?？刂葡到y(tǒng)根據膠帶機的各種保護裝置的狀態(tài)，執(zhí)行運轉和停止指令，如跑偏、打滑、撕裂、張緊力調整、拉繩等。對于輸送口的下料料斗還應設置料位開關，以正確反映出膠帶輸送機的進料情況。膠帶控制系統(tǒng)包括膠帶機的各種保護裝置、操作員站、起動信號系統(tǒng)、聯(lián)鎖、起停順序、調速及能量回收等。

6.4 保護措施

放置在下行膠帶輸送機上的大量物料儲有很高的勢能，任何情況下都必須保證安全控制。從人員和設備的安全考慮，需要遵守較高標準。拉繩開關是為緊急情況下安全操作考慮的，由一條沿輸送機設置的鋼絲繩操控。任何一點拉住鋼絲繩都會使拉繩開關動作，開啟安全緊急停止電路或機械制動器。每個開關是雙向的，上有兩根方向相反的鋼絲繩，內部的彈簧機構使拉繩開關具備自動復位功能。由于拉繩（鋼絲繩）的懸掛環(huán)的阻力、鋼絲繩自身重力以及鋼絲繩與拉繩開關連接位置的角度關系，雙向拉繩開關的設置間隔應為20～30m，以保證拉繩開關的靈敏性。跑偏開關設置在膠帶的兩側，用于檢測膠帶偏離中心線的程度，分輕度與重度跑偏，輕度跑偏報警，重度跑偏就需停機檢修，因此跑偏開關的安裝位置應與膠帶機的運行保持一致，減少誤停情況。

拉繩開關是作為緊急情況設置的，比如，有設備及人身安全情況發(fā)生時，需要立即停止膠帶輸送機，拉動拉繩開關的鋼絲繩，膠帶輸送機就應立即停止，因此拉繩開關的觸點直接接至控制回路中，不經過計算機柜I/O點。這是常規(guī)使用的方法，其優(yōu)點是直接、可靠；缺點是控制電纜隨膠帶輸送機的長度而增加，成本較高，由于控制電纜電壓降的原因，無法應用于較長的膠帶輸送機，計算機系統(tǒng)也無法記錄是哪個位置拉繩開關動作了。另一種編碼通信式拉繩開關，通過網線或光纖連接各個拉繩開關，連接至計算機系統(tǒng)，優(yōu)點是適用于任何長度的膠帶輸送機，計算機系統(tǒng)可以根據編碼記錄下哪個位置拉繩開關動作了，缺點是不直接作用于控制回路，可能會由于通信或計算機系統(tǒng)的原因發(fā)生拒動的情況。跑偏開關反映膠帶輸送機膠帶的運行情況，經過計算機系統(tǒng)I/O柜，可以記錄膠帶輸送機的運行情況，為檢修保養(yǎng)提供必要的數據。對膠帶輸送機可以通過檢測膠帶及比較滾筒速度，判斷是否出現打滑情況，從而計算機系統(tǒng)起動電動制動裝置或調整液壓拉緊裝置，或調整膠帶輸送機的速度。

7 發(fā)電量的估算

目前還沒有較為精確的計算方法計算下行膠帶輸送機的發(fā)電量，本文現探討一種簡易的方法,主要用于效益的估算。

由于下行膠帶輸送機的能量傳輸主要是勢能轉換為電能，考慮到機械、空氣、摩擦、效率等因素，估算的綜合系數k取0.45～0.55。

根據勢能的定義：E=mgh

按單位時間內勢能考慮，由于單位時間內產生的勢能是落差、流量、時間的函數，故：

因此，勢能轉換為電能：P=kE

按額定流量考慮：

即：1h可以提供364～446kWh電能。

式中：

E——勢能，J

P——功率，kW

ΔQ——流量，kg/h

g——重力加速度9.8m/s2

Δh——高度（落差），m

Δt—時間，h

按照每天兩班、每班8h的設計運轉時間計算，膠帶機連續(xù)工作時間為14～16h。

每天的發(fā)電量為：5096～7136kWh。

按照工業(yè)用電價格小于一般工商業(yè)及其他用電價格為0.906元/kWh計算：每天節(jié)約電費約為4600～6465元。

8 結語

對下行膠帶輸送機采用四象限變頻裝置，不僅可以解決膠帶輸送機的正常運行問題，同時回收的電能可以大大降低運行成本。