曹海龍

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

皮帶運(yùn)輸因其連續(xù)性和高效性在煤礦原煤運(yùn)輸中被普遍采用[1-5]。在運(yùn)輸過(guò)程中常規(guī)的皮帶輸出功率和運(yùn)輸速度恒定，在空載、輕載時(shí)存在電力浪費(fèi)，輸送機(jī)在空載啟動(dòng)時(shí)要求電壓較高，對(duì)電網(wǎng)及其他機(jī)電設(shè)備運(yùn)行造成影響，重載啟動(dòng)時(shí)甚至出現(xiàn)難以啟動(dòng)的現(xiàn)象。因此，目前煤礦多采用液力耦合器對(duì)皮帶進(jìn)行軟啟動(dòng)，基本解決皮帶運(yùn)輸啟動(dòng)困難問(wèn)題。但使用液力耦合器存在易損壞設(shè)備、啟動(dòng)電流沖擊大及多電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不平衡等問(wèn)題。

1 帶式輸送機(jī)的工作原理

帶式輸送機(jī)構(gòu)成部件主要有電機(jī)、減速器、滾筒、皮帶、H 架，托輥及安全保護(hù)裝置，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般采用2 臺(tái)同功率電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。一般電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，需通過(guò)減速器將轉(zhuǎn)速調(diào)整至所需的皮帶傳送速度。減速器與皮帶驅(qū)動(dòng)滾筒連接，皮帶通過(guò)張力與驅(qū)動(dòng)滾筒形成靜摩擦力，啟動(dòng)皮帶電機(jī)后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)減速器旋轉(zhuǎn)和變速，驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)皮帶運(yùn)行以達(dá)到運(yùn)輸?shù)哪康?。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖 1 帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 液力耦合器的工作原理及存在的問(wèn)題

（1）液力耦合器的工作原理

液力耦合器主要依靠聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部液體加壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因其內(nèi)部的渦輪和泵輪之間平直排列的葉片相互間存在一定間隙，在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)渦輪帶動(dòng)泵輪，泵輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，最終以調(diào)節(jié)液壓油體積比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)耦合器轉(zhuǎn)速、扭矩的改變，從而實(shí)現(xiàn)皮帶驅(qū)動(dòng)滾筒的軟啟動(dòng)。

（2）液力耦合器存在的問(wèn)題

采用液力耦合器的皮帶電機(jī)雖然解決皮帶軟啟動(dòng)問(wèn)題，但因其工作原理的特殊性，導(dǎo)致液力耦合器電機(jī)運(yùn)行存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是采用液力耦合器的帶式輸送機(jī)必須是空載啟動(dòng)。因?yàn)椴捎靡簤厚詈掀鬟M(jìn)行軟啟動(dòng)時(shí)其啟動(dòng)電流將是電機(jī)額定電流3～4 倍，其產(chǎn)生的較大電流除會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)造成電壓下降，影響其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)外，還可能因瞬間產(chǎn)生強(qiáng)力沖擊對(duì)電機(jī)造成損壞，負(fù)載啟動(dòng)情況更甚。二是不宜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。為滿足液力耦合器軟啟動(dòng)功能，必須在液力耦合器內(nèi)加入水電阻等軟啟動(dòng)液體，但該液體會(huì)隨工作時(shí)間長(zhǎng)而溫度升高，嚴(yán)重情況時(shí)會(huì)造成箱內(nèi)易熔塞融化，導(dǎo)致箱體漏液，對(duì)環(huán)境造成污染，且增加維護(hù)難度，故采用液力耦合器的皮帶電機(jī)不宜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。三是易造成皮帶損壞。因?yàn)椴捎靡毫︸詈掀鬟M(jìn)行軟啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)驅(qū)動(dòng)滾筒加載，導(dǎo)致皮帶承受張力較大，如果皮帶強(qiáng)度不夠，可能會(huì)出現(xiàn)皮帶內(nèi)鋼絲繩斷股、皮帶開(kāi)裂甚至斷帶情況。四是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶無(wú)法解決轉(zhuǎn)矩平衡。因煤礦井下皮帶運(yùn)輸往往因運(yùn)距較長(zhǎng)、運(yùn)輸能力大等原因采用多電機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，多個(gè)電機(jī)的液力耦合器會(huì)由于驅(qū)動(dòng)能力不平衡導(dǎo)致局部電機(jī)負(fù)載過(guò)大的安全問(wèn)題。

3 變頻調(diào)速的原理與方案確定

（1）變頻器的構(gòu)成及工作原理

變頻器主要由變頻主體部分、濾波電容和其他輔助部件構(gòu)成。變頻器主體部分主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度，內(nèi)含硅整流和 IGBT 功率器，其工作原理是將進(jìn)入電機(jī)交流電通過(guò)整流轉(zhuǎn)為直流電，再經(jīng)過(guò)變頻器的IGBT 功率器和濾波電容整流將直流電轉(zhuǎn)換為較小電流的交流電，以較大轉(zhuǎn)矩和較小電流交流電啟動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)。變頻器整流線路圖如圖2。

圖2 變頻器整流線路圖

（2）變頻調(diào)速方案的確定

煤礦帶式輸送機(jī)根據(jù)工作面性質(zhì)及運(yùn)輸量可分為普通帶式輸送機(jī)和強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)。普通帶式輸送機(jī)一般采用雙電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)一般采用2～3 臺(tái)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，多臺(tái)電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，可能存在電機(jī)啟動(dòng)不同步或電機(jī)間啟動(dòng)滑差造成輸出頻率不一致，進(jìn)而出現(xiàn)各電機(jī)轉(zhuǎn)矩不一致，輕微情況導(dǎo)致出現(xiàn)軟啟動(dòng)困難，嚴(yán)重情況則可能出現(xiàn)電機(jī)故障甚至燒毀電機(jī)情況。故需針對(duì)具體情況對(duì)各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行平衡以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，確保各電機(jī)輸出頻率和轉(zhuǎn)矩一致來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常軟啟動(dòng)的同步變頻。針對(duì)不同情況可采取如下三種變頻調(diào)速方案。

方案一：針對(duì)要求電機(jī)輸出功率較小且驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量少的普通帶式輸送機(jī)，可采用一個(gè)變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)普通電機(jī)的運(yùn)行方案。該方案成本較低，但易出現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)期間轉(zhuǎn)矩輸出不均衡情況，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載較高。

方案二：針對(duì)要求各電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩一致且兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)，可采用主動(dòng)+從動(dòng)變頻調(diào)速的驅(qū)動(dòng)控制方案。該方案可滿足各電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩的平衡一致性，是較為經(jīng)濟(jì)且簡(jiǎn)單的變頻調(diào)速方式。

方案三：針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量較多，各電機(jī)間存在較大間距的強(qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)（如上、下山，斜井運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)力膠帶運(yùn)輸機(jī)）則需采取統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜變頻調(diào)速方案。

針對(duì)以上三種變頻調(diào)速方案，結(jié)合沙坪煤礦實(shí)際情況，使用帶式輸送機(jī)數(shù)量最多的主要集中在掘進(jìn)工作面和采煤工作面，而掘進(jìn)工作面和采煤工作面多采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用方案一和方案二。為充分滿足調(diào)速后的輸出功率和轉(zhuǎn)矩的平衡，則方案二為最優(yōu)方案。故針對(duì)沙坪煤礦實(shí)際情況，選擇主動(dòng)+從動(dòng)變頻調(diào)速方案。

（3）主控+從控變頻調(diào)速原理及功能的實(shí)現(xiàn)

主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)以一臺(tái)變頻器為主控輸出確定轉(zhuǎn)矩，從控變頻器根據(jù)主控變頻器給出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)矢量控制算法與主控變頻器同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)同主控變頻器一致的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出功率的平衡性。主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3。

圖3 主控+從控變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，將主控變頻器中的速度調(diào)節(jié)器調(diào)整在轉(zhuǎn)速給定值，由主控變壓器輸出電流、電壓檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，通過(guò)速度調(diào)節(jié)器給定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)矢量控制算法輸出電壓至主控變頻器電機(jī)，同時(shí)將轉(zhuǎn)矩給定值傳輸至從控變頻器，從控變頻器根據(jù)矢量控制算法輸出電壓至從控變頻器的電機(jī)，因轉(zhuǎn)矩值有主控變頻器調(diào)節(jié)后傳給從控變頻器，故主控電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩同從控電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一致，保證輸出功率的一致性。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的效果

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，在皮帶開(kāi)啟方面，通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)使皮帶電機(jī)執(zhí)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較小，避免啟動(dòng)時(shí)強(qiáng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，啟動(dòng)緩慢而平穩(wěn)，減少啟動(dòng)沖擊力，大大降低電機(jī)內(nèi)部構(gòu)件和皮帶的損壞，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。在重載啟動(dòng)方面，通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)使運(yùn)轉(zhuǎn)頻率降低以增大轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)皮帶重載啟動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中該功能產(chǎn)生的效果顯著。在對(duì)運(yùn)行期間的皮帶調(diào)速方面，系統(tǒng)通過(guò)煤流傳感器的傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算皮帶負(fù)載量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免皮帶空載恒速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的電能浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)沙坪煤礦帶式輸送機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，解決采用液力耦合器出現(xiàn)的多電機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩不平衡及損壞設(shè)備等問(wèn)題，提高了設(shè)備的使用壽命，減少了對(duì)皮帶的損害，可根據(jù)運(yùn)輸煤量大小自動(dòng)調(diào)整皮帶運(yùn)行速度，為煤礦企業(yè)提高了經(jīng)濟(jì)效益。