王文州

(河南能源焦煤公司 趙固二礦， 河南 焦作 454000)

0 引言

趙固二礦隸屬于河南能源焦煤公司，于2011年寶鋼參股投資建成投產(chǎn),其設(shè)計生產(chǎn)能力為1.80 Mt/a，服務(wù)年限55.5a，采用一次采全高放頂煤開采工藝。西大巷帶式輸送機型號為DTL140/300/3x710，設(shè)計長度2 km，帶寬1.4 m，帶速4 m/s，傾角11.6°，輸送能力3 000 t/h，使用ST3150型阻燃鋼絲繩芯輸送帶。其4臺電動機功率為710 kW(佳木斯電機廠生產(chǎn))。驅(qū)動方式為高壓斷路器柜+高壓(10 kV)電動機+液力偶合器+減速機形式，前后左右雙列雙排對稱布置，其中后右側(cè)驅(qū)動未投用。設(shè)計使用德國福伊特(VOITH)液力偶合器實現(xiàn)軟啟、軟停。進線電源電壓：10 kV；電壓波動范圍：-20%～+10%；電源頻率：50 Hz?？刂品绞剑翰捎锰旖蛉A寧KTC101控制箱?？傮w布置如圖1所示。

圖1 西膠帶大巷輸送機驅(qū)動部布置

該變頻技術(shù)在實際運行過程中,由于液力偶合器的啟動電流過大，使電動機經(jīng)常出現(xiàn)故障。

1 技術(shù)改造方案的分析

帶式輸送機的工作原理是帶式輸送機通過驅(qū)動輪轂，靠摩擦力牽引輸送帶運動，輸送帶通過張力變形和摩擦力帶動物體在支撐輥輪上運動。輸送帶是彈性儲能材料，在帶式輸送機停止和運行時都儲存著大量勢能，這就決定了帶式輸送機啟動時應(yīng)該采用軟啟動的方式。國內(nèi)大多數(shù)煤礦采用液力偶合器來實現(xiàn)帶式輸送機的軟啟動，在啟動時調(diào)整液力偶合器的機械效率為零，使電動機空載啟動。雖然采用了轉(zhuǎn)子串接電阻改善啟動轉(zhuǎn)矩和降壓空載啟動等方法，但電動機的啟動電流仍然很大，引起了電網(wǎng)電壓的劇烈波動，并造成電動機內(nèi)部機械沖擊和發(fā)熱等現(xiàn)象。同時，采用液力偶合器軟啟動時，由于啟動時間短、加載力大,容易引起輸送帶斷裂和老化，要求輸送帶的強度高,加之液力偶合器長時間工作會引起其內(nèi)部油溫升高、金屬部件磨損、泄漏及效率波動等情況，不僅會加大維護難度和成本、污染了環(huán)境，而且會使多機驅(qū)動同一輸送帶時難以解決功率平均和同步問題。

為此經(jīng)反復(fù)分析研究，決定以變頻技術(shù)進行改造,通過技術(shù)改造，帶式輸送機徹底實現(xiàn)了軟啟、軟停運行方式，帶式輸送機的運行更加穩(wěn)定，這樣徹底避免了電動機因啟動的大電流而損壞,且系統(tǒng)的功率因數(shù)得到了提升，又節(jié)約了電力能源消耗。

2 高壓防爆變頻技術(shù)基本原理

本文主要采用BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置技術(shù)方案，如圖2所示。圖中1#、2#變頻裝置為BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置，基本尺寸約為4 500×1 400×1 600 mm，內(nèi)部配有48脈沖移相整流變壓器和變頻器部分，其防爆高壓變頻器可直接接入10 kV電網(wǎng)，諧波非常小，電壓諧波失真率小于2%。每臺BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置，可以一拖二形式控制兩臺710 kW/10 kV電動機。在正常生產(chǎn)情況下，1#BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置驅(qū)動2臺電動機同時運行完全可以滿足生產(chǎn)的實際需要。這1#和2#防爆高壓變頻器可以互為備用，也可以根據(jù)情況選擇1#變頻器驅(qū)動電動機M1或M2，2#變頻器驅(qū)動電動機M3，實現(xiàn)電動機M1(M2 )與M3的主、從同步功率平衡運行。若今后擴容，生產(chǎn)產(chǎn)量增加時可由1#變頻驅(qū)動M1和M2，2#變頻驅(qū)動M3，實現(xiàn)3臺電動機同時運行，甚至可以由1#和2#變頻同時驅(qū)動4臺710 kW/10 kV電動機同時運行。

圖2 高壓防爆變頻控制原理

BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置是基于先進矢量控制技術(shù)的超低諧波高壓變頻器，可以滿足煤礦井下輸送設(shè)備10 kV防爆電動機的的調(diào)速軟啟軟?？刂菩枰Ｔ摦a(chǎn)品完全遵循最新國際標準和最新國家標準，主要元器件選用進口知名品牌，同時采用最新一代矢量控制的力矩控制模式，可實現(xiàn)低速大力矩，允許更高的過載和啟動力矩，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，是國內(nèi)其他同類廠家所不能比擬的高壓變頻產(chǎn)品，具有磁通優(yōu)化功能、比普通高壓變頻器更節(jié)能。高壓防爆變頻裝置根據(jù)負載的變化及電動機的性能，在拖動電動機運行時,可自動對電動機拖動系統(tǒng)進行磁通優(yōu)化，并可將包括電動機和變頻器在內(nèi)的電動機拖動系統(tǒng)的效率提高1%～10%，使用戶獲得更多的節(jié)能效益，且BPJV-1600/10型高壓防爆變頻裝置具備超強的抗電網(wǎng)波動能力：10 kV(-25%～+15%)，48脈沖整流；諧波更小，抗電網(wǎng)波動能力更強。

3 高壓防爆變頻調(diào)速性能

1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)集控箱控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令。通過對拖動帶式輸送機交流電動機的轉(zhuǎn)矩和頻率控制，來完成對帶式輸送機的啟動、加速、穩(wěn)速、減速、停止、主從控制等運行過程的控制。交流異步電動機采用了高壓變頻控制技術(shù)后，使異步電動機的調(diào)速性能可以與直流電動機相媲美,表現(xiàn)在低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度高、節(jié)能明顯等。

2) 變頻器集控箱主要完成帶式輸送機從變頻啟動、加速、等速、減速、爬行到停車的整個過程的邏輯控制；對帶式輸送機進行主從控制；故障檢測、報警與保護等。集控系統(tǒng)極大地提高了控制系統(tǒng)本身的安全可靠性，使帶式輸送機控制性能和保護性能更加完善；使控制系統(tǒng)的硬件組成和線路更加簡化；操作和維護更加容易。

3) 可實現(xiàn)主從及功率平衡控制。即每臺電動機配置一臺高壓變頻器進行調(diào)速控制，負載較輕時可兩臺同步運行工況，通過參數(shù)設(shè)定，指定1臺或者2臺電動機作為主機，另1臺作為從機，來自集控系統(tǒng)的控制信號(包括啟動、停止、速度給定信號等)發(fā)送至主機變頻器，通過光纖通訊傳遞指令給從機，可保證在加速、減速的過程中，以及在負載突變時，保持電動機之間的速度同步和負載均勻分配，以實現(xiàn)功率平衡，任何從機停機故障，都及時主動向主機報告，主機隨后通知其他從機同步停機，保障整套系統(tǒng)運行安全。

4) 可實現(xiàn)軟啟軟停控制。采用S曲線啟?？刂撇呗?。啟動時，加速度由零逐漸上升到設(shè)定值；停機時，減速度由零設(shè)定值逐漸減小到零；S曲線柔性啟停功能使速度變化更加平緩，不會造成輸送帶張力的突變，使輸送機運行更加安全；降低了對輸送帶帶強的要求，延長了輸送帶的使用壽命；加速時間和減速時間可在4～3 600 s之間調(diào)整，同時可實現(xiàn)慢速反轉(zhuǎn)功能，方便現(xiàn)場更換輸送帶的作業(yè)。

5) 變頻器具有磁通優(yōu)化功能，在輕載運行時，變頻器通過磁通優(yōu)化算法，自動優(yōu)化電機的磁場強度，降低激磁損耗，提高電動機運行效率，節(jié)約能源。運輸量較小時，可適當降低帶式輸送機的轉(zhuǎn)速，減少摩擦損耗，系統(tǒng)節(jié)能，從而提高設(shè)備使用壽命。

4 實施過程的問題分析

實施過程中，曾出現(xiàn)下列問題:

1) 功率組件溫升過快，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。主要原因是設(shè)備本體現(xiàn)場溫度高沒有實現(xiàn)風冷轉(zhuǎn)換水冷進而實現(xiàn)冷卻變頻器的目標。尤其是循環(huán)泵故障和冷卻水硬化極易造成功率模塊溫升過快。趙固二礦夏季地表溫度35 ℃以上，將采用外冷卻裝置管連接到水倉低溫處安裝確保溫差。

2) 運行中過壓故障。主要原因是上限頻率過低，電動機電流過小被拖著轉(zhuǎn)，變成發(fā)電狀態(tài)。大傾角帶式輸送機落煤點分散,對上料造成邊坡點輸送帶松弛。

通過分析研究，將該變頻器的上限頻率調(diào)高的方法,盡量安排集中出煤或按照逆煤流方向上料。這樣便妥善解決了問題。

5 結(jié)論

1) 高壓變頻技術(shù)改造后,帶式輸送機徹底實現(xiàn)了軟啟、軟停運行方式，使帶式輸送機在工作中更加性能穩(wěn)定。該系統(tǒng)的功率因數(shù)在整個過程可達0.95以上，大大節(jié)省了無功功率。采用變頻器驅(qū)動后，使系統(tǒng)總的傳遞效率要比液力偶合器驅(qū)動的系統(tǒng)效率高5%～10%。

2) 改造后系統(tǒng)可根據(jù)負載變化情況自動調(diào)整輸出頻率和輸出力矩，改變了電動機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節(jié)約了電力能源的消耗。比如，當帶式輸送機轉(zhuǎn)速運行在額定轉(zhuǎn)速的50%時，可節(jié)約大約50%的電能。

3) 高壓變頻器是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，可以方便采用總線或以太網(wǎng)通信方式與煤礦管理系統(tǒng)連接實現(xiàn)遠控和數(shù)據(jù)遠傳，這是實現(xiàn)信息化智能化煤礦的基石。

總之，趙固二礦10 kV高壓防爆變頻技術(shù)改造安裝到位后，如期實現(xiàn)了安全高效平穩(wěn)運轉(zhuǎn),為類似條件的大傾角強力帶式輸送機設(shè)計選型提供了寶貴經(jīng)驗。