(拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

目前，國內(nèi)大多數(shù)選煤廠所用皮帶運輸機采用工頻拖動，受到長期工頻運行和液力耦合器效率影響，皮帶運輸機運行耗能較高[1-4]。皮帶運輸機采用工頻拖動時，皮帶運輸機的軟啟動通過液力耦合器的使用來實現(xiàn)，盡管采用了轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻降低了電機啟動力矩，但是電機啟動電流仍然較高，電機啟動沖擊劇烈，易造成機械磨損和損壞，且鑒于液力耦合器的磨損和維護費用較高，對于選煤廠綜合經(jīng)濟效益的提升極為不利。另外，皮帶具有較高的儲能性能，在皮帶啟動和停止時均會儲存大量的彈性能，采用液力耦合器軟啟皮帶時，皮帶的彈性能釋放，與液力耦合器加載力相抗會造成電機在短時間內(nèi)機械沖擊急劇上升，易造成電機沖擊損傷和發(fā)熱，尤其會造成多機驅(qū)動，同一皮帶出現(xiàn)功率不均和不同步現(xiàn)象，在此情況下，皮帶運輸機若處于下行運行時，速度難以控制，會出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。因此，有必要采取相應(yīng)的技術(shù)對工頻驅(qū)動皮帶方式進行優(yōu)化，以提高皮帶運輸機的安全性能和降低耗能。

1 選煤廠皮帶運輸機控制現(xiàn)狀分析

選煤廠某皮帶運輸機水平剖面見圖1所示，該皮帶運輸機采用下行方式運行。對該皮帶運行進行分析可知：該皮帶運輸機由2臺電機，即皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2同軸連接，當(dāng)皮帶運輸機工作時，2臺電機反向運行，如皮帶運輸機空轉(zhuǎn)時，皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)，皮帶運行方式為下行運轉(zhuǎn)；皮帶在下行運行過程中，皮帶運輸機電機的輸出轉(zhuǎn)矩在液力耦合器作用下，皮帶運輸機驅(qū)動輪轂所受力矩與上層皮帶自重產(chǎn)生的力矩疊加，且所形成的疊加力矩與皮帶運輸機摩擦阻力力矩處于平衡狀態(tài)，此時皮帶不負(fù)載運行，皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別為反轉(zhuǎn)電動態(tài)和正轉(zhuǎn)電動態(tài)；當(dāng)皮帶上煤呈帶負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，負(fù)荷重力產(chǎn)生的力矩作用于皮帶運輸機驅(qū)動輪轂，此時驅(qū)動力矩超過摩擦阻力力矩，皮帶運輸機驅(qū)動輪轂加速運行，此時皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2分別處于反轉(zhuǎn)再生態(tài)和正轉(zhuǎn)再生態(tài)；皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2處于電動態(tài)時，電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是電機轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力矩，大量電能在電磁轉(zhuǎn)矩作用下輸出機械能驅(qū)動皮帶運輸機運轉(zhuǎn)；當(dāng)皮帶運輸機電機1和皮帶運輸機電機2處于再生態(tài)時，電機轉(zhuǎn)子反向切割磁力線，電機輸出的電磁力矩相應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C轉(zhuǎn)子的制動力矩，電機轉(zhuǎn)子被皮帶運輸機帶負(fù)荷運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的合成力矩拖著超同步轉(zhuǎn)速進行運轉(zhuǎn)，皮帶運輸機輪轂上的機械能反饋給電網(wǎng)，此時電機受到?jīng)_擊較大，容易產(chǎn)生機械損傷和發(fā)熱。

圖1 皮帶運輸機水平剖面示意圖

2 皮帶運輸機變頻改造的必要性

變頻調(diào)速是通過采用變頻器為核心元件構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻調(diào)速的應(yīng)用不僅可以提高設(shè)備自動化水平，還可大幅度降低設(shè)備能耗，目前變頻調(diào)速被認(rèn)為是最有前景的調(diào)速方式之一。在設(shè)備調(diào)速方面，通過變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，僅需改變逆變管開關(guān)順序即可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，可有效避免因換相不當(dāng)引起的電機發(fā)熱和燒電機現(xiàn)象；且變頻調(diào)速從低速開始，頻率較低，加速和減速時間可以調(diào)節(jié)，啟動電流較??；變頻調(diào)速進行制動時，不僅可以將機械負(fù)載能量消耗在制動上，還可以通過增加附屬元件回饋給電網(wǎng)。另外，變頻調(diào)速節(jié)能效果好也是變頻調(diào)速技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)顯示，部分風(fēng)機、泵類負(fù)載節(jié)能可達20%～60%，皮帶運輸機類低速運行設(shè)備采用變頻調(diào)速后節(jié)能較明顯。

變頻器驅(qū)動電機啟動可分為電動態(tài)、再生態(tài)和空載啟動，為避免皮帶運輸機電機和變頻器運行時出現(xiàn)過載，需要在變頻器驅(qū)動電機啟動前輸出零赫茲力矩電流，這樣可確保電機啟動時拖動系統(tǒng)速度為零，這樣可以實現(xiàn)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩基本不變的情況下輸出頻率逐漸升高，進而實現(xiàn)電機的帶載啟動。通過對選煤廠下行皮帶運輸機運行分析可知，皮帶運輸機驅(qū)動電機啟動分為電動態(tài)、再生態(tài)和空載啟動，因此選用四象限能量回饋型變頻器對皮帶運輸機控制進行改造，該類型變頻器不僅具備普通變頻器的功能，還可以實現(xiàn)皮帶運輸機電機帶載和空載啟停時皮帶平穩(wěn)啟啟動，避免電機損傷和皮帶跑車現(xiàn)象。

3 皮帶運輸機變頻改造

為了確保試驗皮帶運輸機電機能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩平衡，在對其進行控制改造時應(yīng)采用2套變頻器進行聯(lián)合控制，在控制系統(tǒng)中2套變頻器的逆變器公用直流母線、整流/回饋裝置，其中一臺電機作為主動電機，另一臺作為聯(lián)動電機，即通過變頻器的使用可對皮帶運輸機電機的輸出轉(zhuǎn)矩進行檢測，確保四象限變頻器速度、轉(zhuǎn)矩同步，進而還可有效解決兩臺電機驅(qū)動皮帶運輸機產(chǎn)生的扭震和共振等問題。另外，在皮帶運輸機運行過程中，若出現(xiàn)輕負(fù)荷運行或者一臺變頻器出現(xiàn)故障不運行時，可由另一臺變頻器拖動皮帶，實現(xiàn)皮帶的正常運轉(zhuǎn)。通過采用四象限變頻器的應(yīng)用，還可通過增加附屬原件使部分機械能反饋到電網(wǎng)進行重新利用，且反饋過程中因變頻器的應(yīng)用對電機沖擊載和較小，不會對電機造成損傷，同時實現(xiàn)了皮帶運輸機電機的節(jié)能。但是附屬元件的投入資金相對較高，這部分能源節(jié)約成本回收周期相對較長；如若不考慮節(jié)能效果，可直接采用變頻器帶動單元來控制，即機械能通過制動單元和制動電阻進行消耗。在進行皮帶運輸機控制改造時，保留原有的工頻啟動柜，同時將液力耦合器效率調(diào)至最高，將工頻啟動柜作為控制系統(tǒng)的備用，一旦變頻控制出現(xiàn)故障時，可采用工頻啟動提高皮帶運輸機控制系統(tǒng)的應(yīng)急能力。當(dāng)皮帶運輸機控制系統(tǒng)改造調(diào)試結(jié)束后，在運行一段時間后未出現(xiàn)控制問題，可根據(jù)情況拆除液力耦合器，將皮帶運輸機轉(zhuǎn)軸直接連在電機上，最終完成皮帶運輸機的變頻技術(shù)改造。

4 結(jié)語

皮帶運輸機采用變頻技術(shù)改造后，不僅可徹底實現(xiàn)皮帶運輸機的軟啟和軟停，同時可有效杜絕皮帶運輸機在工頻控制下因速度控制不當(dāng)易出現(xiàn)的飛車問題，大幅度提高了皮帶運輸機的控制能力和安全運行系數(shù)。通過四象限變頻器的應(yīng)用，可通過增加附屬元件將部分機械能反饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)電能的復(fù)用，降低皮帶運輸機能量消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。另外，通過變頻技術(shù)改造避免了液力耦合器使用過程中出現(xiàn)的諸多問題，有效降低了設(shè)備的損壞率和維護費用，有利于提高選煤廠的綜合經(jīng)濟效益。