王岳剛

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)洪洞恒興煤業(yè)有限公司，山西 洪洞 041600）

1 案例簡(jiǎn)介

某水泥公司礦山與廠區(qū)的距離為5.2km，為了保證運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，該公司興建了一條皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后該公司的生產(chǎn)效率得到了大幅度的提升，但是卻接連出現(xiàn)了2臺(tái)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)電纜被擊穿的事故，在經(jīng)過工廠工程師論證后，決定采用高壓電纜來對(duì)先前的電纜進(jìn)行替換，替換后電纜不再被擊穿，但卻連續(xù)燒毀4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，嚴(yán)重降低了工廠的生產(chǎn)效率，給該公司的經(jīng)濟(jì)效益帶來了很大的影響。

2 皮帶機(jī)工作情況

2.1 皮帶機(jī)的拖動(dòng)方案

該皮帶機(jī)由3臺(tái)690V／400kW 變頻電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，下向運(yùn)行，小時(shí)輸送能力900t，每天運(yùn)行14h，可供山下工廠兩條生產(chǎn)線整天的需求。該皮帶機(jī)電動(dòng)機(jī)配置為山下1臺(tái)，山上2臺(tái)，而且每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均由ABB公司電壓源型中的ACS800系列變頻器進(jìn)行控制，變頻器的直流母線則通過制動(dòng)斬波器來與制動(dòng)電阻進(jìn)行連接。

2.2 皮帶機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分析

該礦山皮帶機(jī)與水平面形成了一定角度，運(yùn)行狀況為下向運(yùn)行，根據(jù)力學(xué)原理現(xiàn)進(jìn)行力學(xué)分析。物料被投放到皮帶上后將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與摩擦力f方向相反的力F（此力為重力在沿皮帶機(jī)水平方向上的分力），可以分析出當(dāng)物料種重量持續(xù)增加時(shí)，F(xiàn)必將增大，當(dāng)F增大至大于皮帶摩擦力時(shí)，電動(dòng)機(jī)則不再對(duì)物料提供與皮帶機(jī)運(yùn)行方向相同的牽引力，而是與f共同作用抵耗F，此時(shí)電動(dòng)機(jī)必須提供制動(dòng)力，防止飛車事故的發(fā)生。為此該廠決定采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)喂料量一定時(shí)，皮帶上的總物料量與皮帶的運(yùn)行速度成反比，這樣就可以對(duì)飛車事故進(jìn)行控制［1］。

2.3 工況描述

下山皮帶的實(shí)際長度比較長，存在啟動(dòng)緩慢的問題，該廠采取了變頻器的軟啟動(dòng)功能。進(jìn)行啟動(dòng)模式后，山下的電動(dòng)機(jī)關(guān)停，只由山上的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。當(dāng)皮帶機(jī)啟動(dòng)后，因?yàn)榘逦箼C(jī)一直在進(jìn)行喂料，所以整條皮帶上的物料量不斷增加，當(dāng)F與f相等時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不再輸出力矩，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電流逐漸增大，產(chǎn)生的能量經(jīng)由變頻器的逆變器傳至變頻器的直流母線，在接收了能量后直流母線電壓升高，當(dāng)達(dá)到閥值（閥值設(shè)定為25%）時(shí)，斬波器進(jìn)行工作，將能量消耗與在制動(dòng)電阻上，若變頻器出現(xiàn)緊急故障，山下的那臺(tái)電動(dòng)機(jī)就會(huì)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行制動(dòng)力矩的補(bǔ)充。

3 故障分析

由于電動(dòng)機(jī)事故頻發(fā)，該廠工程師聯(lián)合ABB工程師與電機(jī)廠的技術(shù)人員對(duì)皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查評(píng)估，工程師們應(yīng)用示波器對(duì)皮帶機(jī)系統(tǒng)情況進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)變頻器輸出波形正常，不存在問題，但電動(dòng)機(jī)的定子接線端的波形卻失真嚴(yán)重，電壓波峰與波谷最大差值竟達(dá)2 460V。由于燒毀的幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)的故障情況（均為電動(dòng)機(jī)線圈無電流過熱痕跡，除燒毀外其他部分線圈均未發(fā)現(xiàn)問題，而且燒毀處均為線圈曲率半徑較小處）基本一致，再結(jié)合此情況，判斷電動(dòng)機(jī)燒毀的原因?yàn)楦邏簱舸┚€圈絕緣造成的匝間短路［2］。因?yàn)樽冾l器采用的是TGBT逆變技術(shù)，所以尖峰脈沖電壓不可避免，此電壓會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)線圈的絕緣層進(jìn)行沖擊，由于電荷累積會(huì)在線圈曲率半徑較小處造成局部放電，破壞絕緣進(jìn)而造成匝間短路，見圖1。

圖1 電動(dòng)機(jī)線圈燒毀處

4 變頻傳動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的要求

改皮帶機(jī)上的電動(dòng)機(jī)的供電電壓為690V，當(dāng)此電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，端子上的最大尖峰電壓約為1 862V（690×1.35×2＝1 862V，1.35為三相橋整流系數(shù)，2是電動(dòng)機(jī)與電纜的特性阻抗不同，引起的波反射和疊加的倍數(shù)）。所以當(dāng)斬波器工作時(shí)，直流電壓已超過閥值（25%），回路電壓將會(huì)升高，其效果相當(dāng)于電源電壓升高了25%，也就是說對(duì)于690V 等級(jí)的變頻器，電動(dòng)機(jī)的常性耐電電壓必須要在2 134 V（1 862 V×1.2＝2 134V）以上。該廠并未對(duì)此種因素進(jìn)行分析處理，所以才會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)頻繁燒毀的事故發(fā)生。

5 解決辦法及選擇

由以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，此問題的解決方式無外乎降低尖峰沖擊電壓或者提高電動(dòng)機(jī)的電壓耐受能力兩種解決方法。根據(jù)這兩種解決方法，可以確定如下幾個(gè)方案。

1）方案一。對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣進(jìn)行檢查，確保其能承受住2 235V 電壓的沖擊，對(duì)不符合條件的絕緣進(jìn)行更換。

2）方案二?？梢酝ㄟ^加裝專門的輸出電抗器用斬波器將高次的波頭斬掉，從而抑制高次諧波脈沖。

3）方案三。經(jīng)深入分析可知，當(dāng)傳動(dòng)單元處于制動(dòng)模式時(shí)電動(dòng)機(jī)端子上的電壓高，增大了絕緣層被破壞的可能性。所以，盡可能地使電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)將會(huì)保障電動(dòng)機(jī)的壽命。在滿足生產(chǎn)條件的前提下，保證電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，盡可能地減少負(fù)荷的累積，以此來降低感應(yīng)電壓突然激增的可能性。具體操作可以采取加大皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制喂料量的措施，通過加快轉(zhuǎn)速可以減少帶上的物料量，再通過調(diào)節(jié)板喂機(jī)上的變頻器達(dá)到控制物料量的目的，確保皮帶機(jī)的速度處于可控范圍之內(nèi)［3］。

4）方案四。建議將現(xiàn)今皮帶機(jī)系統(tǒng)中的變頻器更換為ACS800－17系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品能夠反饋電能，并且可以四象限運(yùn)行，反饋的電能電壓也可調(diào)節(jié)，減輕電動(dòng)機(jī)的絕緣壓力。四象限運(yùn)行的變頻器采用了IBGT 模塊，可與逆變器對(duì)稱，可支持電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，電能可在電網(wǎng)端和負(fù)載端之間自由“流動(dòng)”［4］。

6 采取的解決方案

1）案例公司采取方案。經(jīng)過審慎的考慮，該公司決定采用上述方案中的方案三。通過控制喂料量、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速使電動(dòng)機(jī)長時(shí)間處于電動(dòng)狀態(tài)后，該公司的電動(dòng)機(jī)再也沒有出現(xiàn)燒毀問題。但是采取方案三后，由于喂料量減少，皮帶機(jī)的輸送能力降低為620t／h，大大降低了輸送效率，即使皮帶機(jī)24h 連續(xù)工作也滿足不了工廠對(duì)礦料的需求，該公司不得不降調(diào)低了生產(chǎn)目標(biāo)，而且長期處于電動(dòng)狀態(tài)還會(huì)消耗大量的電能，導(dǎo)致該公司損失了一定的經(jīng)濟(jì)利益。

2）推薦方案。從長遠(yuǎn)來看方案四無疑是最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方案，在方案四中，現(xiàn)用的普通變頻器被換為可四象限運(yùn)行的ACS800—17系列變頻器，先前被制動(dòng)電阻消耗的電能就可以反饋到電網(wǎng)中，這些電能可工廠自用，有效地降低了工廠的運(yùn)行成本。再對(duì)方案三與方案四進(jìn)行比較，方案三采用后，板喂機(jī)變頻器設(shè)定為14 Hz，該狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)正好處于電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)電流處約為98A，這樣可計(jì)算每臺(tái)電動(dòng)機(jī)每天消耗電能為：（732×690×98／1 000）×24＝1 187kW·h。而采用方案四時(shí)板喂機(jī)喂料量為900t／h，電動(dòng)機(jī)工作14h即可滿足工廠的生產(chǎn)需求，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)電流約為280 A，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)每天發(fā)電量為：（1.732×690×280／1 000）×14＝4 685kW·h，該方案相較于方案三每天共為工廠節(jié)省2×（1 187＋4 685）＝11 744kW·h，無疑方案四更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

7 結(jié)語

新建礦山項(xiàng)目的設(shè)備采購安裝要注重符合實(shí)際情況，既要保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行也要盡可能節(jié)能增效，皮帶機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制建議選用四象限運(yùn)行的變頻器，雖然投資更大，但長遠(yuǎn)來看所帶來的效益定會(huì)“物超所值”。

［1］劉運(yùn)光.大型皮帶機(jī)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)診斷與分析［J］.水泥，2009（2）：36.

［2］張善姝，馬翠紅.礦山長皮帶機(jī)頻繁燒電動(dòng)機(jī)原因分析及解決辦法［J］.水泥，2010（4）：61－63.

［3］王越.港口皮帶機(jī)傳輸系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（12）：107－108.

［4］房曉平.皮帶機(jī)控制電路的改進(jìn)［J］.電世界，2013，54（4）：8.