連紅飛

(潞安礦業(yè)集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

1 問(wèn)題的提出

王莊煤礦主斜井原煤提升系統(tǒng)采用皮帶機(jī)提升，將井下生產(chǎn)出的原煤由井下630水平提升至地面，其概況如下：鋼絲繩芯膠帶機(jī)型號(hào)為DX4000，帶速為4.8 m/s，運(yùn)量為1 000 t/h，膠帶寬度為1 200 mm，總長(zhǎng)度為1 304.5 m，傾角為16°，驅(qū)動(dòng)滾筒直徑為Φ1 600 mm，電機(jī)數(shù)量為3臺(tái)，采用型號(hào)為ATSA-450-LX-06A的繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)，功率為630 kW，定子電壓為6 kV，定子額定電流為76 A。主斜井皮帶機(jī)提升系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 主斜井皮帶機(jī)提升系統(tǒng)布置示意圖

皮帶機(jī)電控系統(tǒng)為T(mén)KM-PLC轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)電控系統(tǒng)，于2005年投入使用。此類(lèi)電控系統(tǒng)存在電耗高、故障率高、啟動(dòng)不平穩(wěn)、不節(jié)能等問(wèn)題，重載啟動(dòng)對(duì)皮帶機(jī)系統(tǒng)有較大的機(jī)械和電氣沖擊，尤其隨著使用年限的增加，故障率逐步升高，一定程度上影響了安全生產(chǎn)。為此，必須對(duì)主斜井皮帶機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。鑒于王莊礦主斜井皮帶機(jī)的上述特點(diǎn)，要求改造后的控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)指的是利用機(jī)械、電氣等手段，通過(guò)延長(zhǎng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間，取得斜率較小的啟動(dòng)加速度曲線(xiàn)，使設(shè)備在啟動(dòng)全過(guò)程中避免受到?jīng)_擊。王莊礦主斜井皮帶機(jī)長(zhǎng)度達(dá)1 304.5 m，由于電源斷電、故障停機(jī)等原因，經(jīng)常需要滿(mǎn)負(fù)荷重載啟動(dòng)，要求啟動(dòng)力矩較大的同時(shí)啟動(dòng)電流保持在合理的范圍內(nèi)。采用軟啟動(dòng)，可有效減少對(duì)皮帶機(jī)的機(jī)械沖擊及對(duì)電機(jī)等設(shè)備的電氣沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用年限，減少故障率。

(2)低速驗(yàn)帶。礦井每天停產(chǎn)2 h時(shí)間，對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行檢修、驗(yàn)帶，并探測(cè)膠帶內(nèi)鋼絲繩的斷絲情況，此時(shí)，皮帶機(jī)需要以0.5 m/s的速度運(yùn)行。

(3)自動(dòng)平衡3臺(tái)電機(jī)功率。皮帶機(jī)采用3臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題：雙電機(jī)滾筒和單電機(jī)滾筒由于包膠層磨損不一致，或者由于其中一個(gè)滾筒損壞更換新滾筒后，導(dǎo)致雙驅(qū)滾筒和單驅(qū)滾筒的直徑出現(xiàn)差異，3臺(tái)電機(jī)的功率嚴(yán)重不平衡。所以，新的控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)3臺(tái)電機(jī)功率的自動(dòng)平衡。

2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的選擇

根據(jù)上述要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行選擇。目前，能實(shí)現(xiàn)上述功能且較先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)控制方式主要有變頻驅(qū)動(dòng)控制和CST驅(qū)動(dòng)控制。CST是美國(guó)道奇公司生產(chǎn)的一種帶濕式離合器和電液控制技術(shù)的齒輪減速器，可實(shí)現(xiàn)上述各種功能，且性能優(yōu)良，啟動(dòng)和停機(jī)平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高，可自動(dòng)平衡電機(jī)功率，但由于其安裝尺寸和現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)完全不一致，必須停產(chǎn)后重新制做基礎(chǔ)，停產(chǎn)時(shí)間約需一個(gè)月左右，故該方式不具備操作性。變頻器可以靈活布置，技術(shù)先進(jìn)，保護(hù)齊全，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)軟停車(chē)，不需要制做專(zhuān)門(mén)的安裝基礎(chǔ)。目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，高壓變頻器技術(shù)已非常成熟，因此，選擇變頻器驅(qū)動(dòng)控制作為此次改造的技術(shù)方案。

由于皮帶機(jī)為上運(yùn)式，恒力矩負(fù)載，選用兩象限交直交電壓型變頻器，控制方式采用直接轉(zhuǎn)矩控制。

2.1 單拖和群拖的選擇

群拖指一拖三，即采用一臺(tái)大容量變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)電機(jī)。

單拖指一拖一，即選擇3臺(tái)小容量變頻器，一臺(tái)變頻器僅驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)。

由于皮帶機(jī)需要實(shí)現(xiàn)3臺(tái)電機(jī)功率平衡，一拖三方式不能實(shí)現(xiàn)此功能。因此該改造方案采用一拖一方式，即選擇3臺(tái)與電機(jī)功率相匹配的小容量變頻器。

2.2 變頻器容量計(jì)算及校核

變頻器計(jì)算輸出功率P(kW)需滿(mǎn)足：

P≥K1Pde.

其中：K1為功率富裕系數(shù)，取K1=1.2；Pde為電機(jī)的額定功率，kW。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，P≥756 kW，根據(jù)計(jì)算輸出功率，變頻器容量取大一級(jí)，選1 000 kVA。

由于皮帶機(jī)傾角為16°，且需要重載啟動(dòng)，必須進(jìn)行電流校核。根據(jù)上海某公司變頻器樣品手冊(cè)，1 000 kVA變頻器的額定電流為92 A，1.5倍額定電流過(guò)載時(shí)間為60 s。要求變頻器的額定電流滿(mǎn)足：

Ievf≥K3KdIed/k2.

其中：Ievf為變頻器額定電流,92 A；K3為電機(jī)電流/轉(zhuǎn)矩系數(shù)，取1.15；Kd為電機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)載倍數(shù)，取1.5；Ied為電機(jī)額定電流,取76 A；k2為變頻器電流短時(shí)過(guò)載倍數(shù)，取1.6。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，K3KdIed/k2=81.9 A

3 控制方案

皮帶機(jī)控制系統(tǒng)由3臺(tái)變頻器、1臺(tái)轉(zhuǎn)換柜、1臺(tái)綜合電源柜、1臺(tái)操作臺(tái)等設(shè)備組成。

3.1 變頻器

3臺(tái)變頻器所有硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)效率高。其軟件要求功能強(qiáng)大，透明度高，調(diào)試效率高。變頻器選用兩象限高壓變頻器，電壓為6 000 V。由于皮帶機(jī)是正力運(yùn)行負(fù)荷，兩象限變頻器可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.2 綜合電源柜

采用電源雙進(jìn)線(xiàn)設(shè)計(jì)，具備電源失壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)。其饋出回路數(shù)量根據(jù)各用電設(shè)備的要求確定，裝設(shè)安全隔離開(kāi)關(guān)、空氣斷路器、接觸器、控制開(kāi)關(guān)以及電壓、電流等全套測(cè)量?jī)x表。

3.3 操作臺(tái)

操作臺(tái)是系統(tǒng)的控制中樞，完成運(yùn)行工藝所給出的運(yùn)行動(dòng)作及系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，完成系統(tǒng)的各項(xiàng)保護(hù)，使系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)采用雙PLC作為控制核心，一臺(tái)PLC作為主控，一臺(tái)PLC作為監(jiān)控。選用西門(mén)子S7-300型PLC。

操作臺(tái)上裝設(shè)各種工況顯示設(shè)備，以液晶顯示屏為主要顯示設(shè)備，可以觀察PLC運(yùn)行情況、各外部接點(diǎn)動(dòng)作狀態(tài)、各模擬量回路狀態(tài)等，方便維護(hù)工作。同時(shí)具有必要的開(kāi)關(guān)量、模擬量的數(shù)字顯示，可以在液晶屏不工作時(shí)提供必要的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如安全回路指示燈，故障聲光報(bào)警顯示，高、低壓電壓表和電流表等等。

正常運(yùn)行速度設(shè)定為4.8 m/s，驗(yàn)帶速度設(shè)定為0.5 m/s，兩種速度通過(guò)操作臺(tái)上的轉(zhuǎn)換旋鈕進(jìn)行切換。

3.4 系統(tǒng)的保護(hù)功能

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)打滑、跑偏、沿線(xiàn)急停、撕裂、堆煤、溫度監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灑水等各種保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生斷帶、撕裂、跑偏、倒轉(zhuǎn)等故障時(shí)，將自動(dòng)緊急停車(chē)。此外，還可實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)、墜砣車(chē)限位、電機(jī)超溫、閘瓦磨損、電機(jī)軸瓦超溫、緊急停車(chē)、調(diào)節(jié)回路故障等多種保護(hù)功能。

3.5 保留原控制系統(tǒng)

原串電阻控制系統(tǒng)作為備用，予以保留，但僅在應(yīng)急情況下投入使用，日常主要由變頻器驅(qū)動(dòng)，兩套系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)改造于2018年“五一”停產(chǎn)檢修時(shí)間進(jìn)行，用時(shí)5天。變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行近一年來(lái)，未出現(xiàn)電機(jī)功率不平衡等故障，完全實(shí)現(xiàn)了有關(guān)規(guī)定要求的各項(xiàng)功能，提升了設(shè)備的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，保障了安全生產(chǎn)。