劉 飛

(陽(yáng)煤一礦 機(jī)電工區(qū)，山西 陽(yáng)泉 045008)

0 引言

帶式輸送機(jī)具有簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)和可靠的大運(yùn)輸量，在煤礦井下得到廣泛應(yīng)用。由于煤礦運(yùn)量日益增大，運(yùn)煤行程較遠(yuǎn)，且井下安裝空間狹小，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)能力日益不足，且其體積較大，不便于安裝，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)部門(mén)的要求。因此本文設(shè)計(jì)了一種雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的大功率帶式輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

1 帶式輸送機(jī)主電路原理和電器容量計(jì)算

圖1為本文設(shè)計(jì)的雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路原理示意圖，考慮到本系統(tǒng)的工作環(huán)境為煤礦井下，因此將所有的電氣部件置于一個(gè)防爆驅(qū)動(dòng)柜中，這樣可以避免系統(tǒng)的輸入輸出電纜頭暴露在瓦斯氣體環(huán)境下，不會(huì)因電纜頭放電產(chǎn)生的電火花而引起爆炸，提高了系統(tǒng)的安全性。

圖1 雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路原理示意圖

驅(qū)動(dòng)柜內(nèi)的電氣部分可分為輸入電路、雙機(jī)組合變頻器、輸出電路和其他控制電路。輸入電路包括輸入濾波器和輸入電抗器。雙機(jī)組合變頻器是由兩臺(tái)同樣配置的變頻器組合而成，兩臺(tái)變頻器采用兩套控制電路，共用直流母線。輸出電路包括輸出電抗器和輸出濾波器。其他控制電路包括變頻器的輸出電壓、輸出電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速的采樣電路、驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作的驅(qū)動(dòng)電路等。

本系統(tǒng)完整的電氣連接關(guān)系為：井下配電分站獲取電源后接入到隔離變壓器，經(jīng)過(guò)隔離開(kāi)關(guān)和真空接觸器連接到驅(qū)動(dòng)柜，由驅(qū)動(dòng)柜的輸出電纜連接到驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此本文設(shè)計(jì)的雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量計(jì)算包括變壓器容量、隔離開(kāi)關(guān)容量、真空接觸器容量、變頻器容量、電抗器容量、濾波器容量、電機(jī)容量。井下配電分站的電源為1 140 V，帶式輸送機(jī)的額定功率為600 kW。

1.1 負(fù)載電機(jī)

帶式輸送機(jī)的額定功率為600 kW，那么兩臺(tái)電機(jī)的輸出功率SN應(yīng)當(dāng)不小于600 kW，由此可得:

(1)

其中：PM2為帶式輸送機(jī)的額定功率，kW；η1為電機(jī)的效率，本設(shè)計(jì)中取0.85；cosθ為電機(jī)的功率因數(shù)，本設(shè)計(jì)中取0.75。由此可得：SN≥941.2 kW。

兩臺(tái)電機(jī)的功率應(yīng)不小于941 kW，因此取單臺(tái)電機(jī)的容量為500 kW。

1.2 變頻器

在恒定負(fù)載情況下，變頻器的容量與電機(jī)的容量存在下列關(guān)系：

SN1≥k·SN.

(2)

其中：k為變頻器的波形修正系數(shù)，一般取1.05～1.1；SN1為變頻器的額定容量。本設(shè)計(jì)中波形修正系數(shù)取1.1，顯然變頻器的容量應(yīng)不小于550 kW，由于兩臺(tái)變頻器共用直流母線，因此整流電路的容量應(yīng)不小于1 100 kW。

1.3 電抗器

電抗器的容量計(jì)算公式為：

(3)

其中：U為變頻器額定電壓，取1 140 V；I為變頻器的額定電流；f為變頻器的最大頻率；P為變頻器的額定功率，由上面計(jì)算得1 100 kW。計(jì)算得電抗器的取值范圍為75 μH～188 μH。整流器的功率是變頻器功率的二倍，因此取輸入電抗器的電抗為輸出電抗器電抗的二分之一。

1.4 濾波器

濾波器的作用為抑制電磁干擾，通常根據(jù)泄漏電流、額定電流、絕緣電阻和插入損耗確定，插入損耗和泄漏電流都是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試確定，本文的輸入、輸出額定電流分別為682.4 A和341.2 A。

1.5 真空接觸器

接觸器的電流應(yīng)當(dāng)不小于兩臺(tái)變頻器的額定電流之和，即682.4 A。

1.6 斷路器

斷路器的作用是當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障以后迅速切斷故障電流，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大。斷路器選擇的依據(jù)是額定工作電流、動(dòng)作時(shí)間和切斷電流。額定工作電流的選擇公式為：

(4)

其中：Im為斷路器的額定電流；ρf為變頻器的輸入功率因數(shù)，根據(jù)輸入電抗不同稍微有些區(qū)別，有輸入電抗器的取0.85；η為變頻器的效率，約等于95%。經(jīng)計(jì)算，斷路器的額定電流Im不小于787 A。

1.7 變壓器

變頻器的工作電壓為1 140 V，所以井下配電從站的電壓不能直接使用，需配置一個(gè)變壓器。在與變頻器配合使用時(shí)，一般變壓器的容量S(kVA)由下式計(jì)算：

(5)

通過(guò)計(jì)算可得變壓器容量不小于1 363 kVA，取變壓器容量為1 600 kVA，額定工作電壓為1 140 V，頻率為50 Hz。

2 控制電路設(shè)計(jì)

雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PLC控制原理圖如圖2所示。變頻器可選的控制方法有3種，即變頻器本身的外部端子控制、控制面板控制和通過(guò)PLC對(duì)變頻器控制。由于皮帶運(yùn)行性能、運(yùn)行參數(shù)和工作情況數(shù)據(jù)的采集和控制需要占用變頻器的端口和控制器資源，而變頻器本身的外部端子控制和控制面板控制無(wú)法滿足，且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，成本高，因此本文采用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制，PLC的開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單，易于工程人員學(xué)習(xí)和維護(hù)。

圖2 雙機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PLC控制原理圖

本系統(tǒng)采用PLC控制，型號(hào)為S7-1200，除控制器外，PLC的外圍電路包括數(shù)字量模擬量輸入輸出模塊、變頻器通訊模塊和上位機(jī)操作界面。主控制電路的外圍電路包括模擬量輸入與A/D轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)量輸入與光電隔離電路、狀態(tài)輸出電路、電壓電流轉(zhuǎn)速信號(hào)采集與D/A轉(zhuǎn)換電路、通訊電路等。主控制電路的控制電源來(lái)自于驅(qū)動(dòng)柜三相電源中的兩相。

3 輔助電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)柜的輔助電路有很多，大致分為電源電路、電機(jī)保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)柜散熱電路。

圖3為驅(qū)動(dòng)柜的電源示意圖。驅(qū)動(dòng)柜輸入三相1 140 V交流電源給變頻器主電路供電。三相1 140 V交流電通過(guò)一個(gè)變壓器降壓為三相380 V交流電，給柜內(nèi)風(fēng)機(jī)供電。取1 140 V交流電的兩相，通過(guò)一個(gè)副邊三繞組變壓器分別輸出單相220 V交流電、單相127 V交流電和單相36 V交流電，分別給柜內(nèi)開(kāi)關(guān)電源、柜內(nèi)照明和電機(jī)綜合保護(hù)器供電。開(kāi)關(guān)電源將單相220 V交流電輸出為直流24 V和直流12 V，24 V給PLC相關(guān)設(shè)備供電，12 V給皮帶機(jī)各種傳感器供電。選擇24 V直流電源9 V為虛擬地，則可以得到一個(gè)-9 V電源和一個(gè)+15 V電源，可以作為開(kāi)關(guān)管門(mén)極和源極的驅(qū)動(dòng)電源。

圖3 驅(qū)動(dòng)柜的電源示意圖

電機(jī)是皮帶機(jī)的動(dòng)力來(lái)源和變頻器的控制對(duì)象，必須配置相應(yīng)的保護(hù)電路。本系統(tǒng)電機(jī)配置了ZBQ-3TE微機(jī)綜合保護(hù)裝置，其電路原理圖如圖4所示。ZBQ-3TE微機(jī)綜合保護(hù)裝置適用于含有烈性氣體環(huán)境(甲烷、煤塵)的煤礦井下，能與交流50 Hz，電壓等級(jí)為380 V、660 V、1 140 V，電流最大可以達(dá)到400 A的各種型號(hào)低壓電磁啟動(dòng)器配套使用，應(yīng)用廣泛。本微機(jī)綜合保護(hù)裝置具有很豐富的保護(hù)功能，例如過(guò)載、速斷、欠壓、過(guò)壓、斷相、三相不平衡、漏電閉鎖、風(fēng)電閉鎖等，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地、單臺(tái)/聯(lián)臺(tái)的轉(zhuǎn)換操作，同時(shí)具有故障記憶、時(shí)間、遙控等擴(kuò)展功能。

圖4 電機(jī)保護(hù)電路圖

驅(qū)動(dòng)柜的散熱電路和溫度傳感器如圖5所示。三相電源通過(guò)接觸器給風(fēng)機(jī)供電，如果環(huán)境溫度超過(guò)20 ℃，接觸器動(dòng)作，風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作；環(huán)境溫度低于20 ℃，接觸器斷開(kāi)電源，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖5 散熱電路和溫度傳感器

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙變頻器驅(qū)動(dòng)的井下皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，兩臺(tái)變頻器共用一臺(tái)整流裝置，集中于驅(qū)動(dòng)柜中安裝，節(jié)省了設(shè)備安裝空間。采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制，無(wú)論是變載還是變速系統(tǒng)均可以穩(wěn)定運(yùn)行。