郭 波

(山西潞安煤炭技術(shù)裝備有限責(zé)任公司 山西潞安安易電氣有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引言

刮板輸送機(jī)是煤礦綜采工作面的重要運(yùn)輸設(shè)備之一,其正常運(yùn)行直接關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)效率。近年來,隨著礦井產(chǎn)能提升，刮板輸送機(jī)的裝機(jī)功率和輸送量不斷增大,單臺(tái)電動(dòng)機(jī)功率在700 kW以上，電壓等級(jí)由1 140 V上升至3 300 V，其起動(dòng)問題逐漸成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。為避免刮板輸送機(jī)重載起動(dòng)沖擊及斷鏈?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，相繼出現(xiàn)了雙速電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和限矩型液力耦合器起動(dòng)方式。限矩型液力耦合器占用空間較大,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生較大的徑向沖擊負(fù)荷;雙速電動(dòng)機(jī)在高低速轉(zhuǎn)換時(shí)有動(dòng)力沖擊斷鏈現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障點(diǎn)多。因此變頻起動(dòng)成為目前刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要方式[1]。

變頻器調(diào)速性能好，起動(dòng)力矩大，起動(dòng)加速平穩(wěn)，對(duì)刮板輸送機(jī)鏈條沖擊力小，可以有效實(shí)現(xiàn)斷鏈保護(hù)[3]。但是變頻器存在一定的弊端，由于變頻器是集自動(dòng)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、電動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)和通信技術(shù)為一體的電氣設(shè)備，產(chǎn)品故障后井下工人基本無法自己維修，需要廠家售后服務(wù)，甚至需要升井地面維修，而且功率單元、驅(qū)動(dòng)單元等關(guān)鍵部件均為進(jìn)口，因此變頻器故障后造成井下無計(jì)劃停產(chǎn)的時(shí)間較長(zhǎng)。鑒于此，設(shè)計(jì)一種礦用隔爆型雙驅(qū)切換裝置，將變頻器和軟起動(dòng)器采用“一用一備”方式應(yīng)用在刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)上，確保變頻器和軟起動(dòng)器無縫切換，避免綜采面故障停機(jī)事故出現(xiàn)，提高礦井的生產(chǎn)效率。

1 變頻器和軟起動(dòng)器一用一備驅(qū)動(dòng)方式

1.1軟起動(dòng)器起動(dòng)

目前國(guó)內(nèi)煤礦綜采面應(yīng)用軟起動(dòng)，適用于額定電壓3.3 kV、額定電流315A及以下的三相交流感應(yīng)異步雙速、雙繞組或單速電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制,集高電壓、大功率調(diào)速技術(shù)與雙速磁力起動(dòng)器于一體，解決了3.3 kV供電的刮板輸送機(jī)的滿載起動(dòng)難題,減小了電網(wǎng)沖擊和輸送機(jī)的動(dòng)載沖擊,最大起動(dòng)力矩可達(dá)90%電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,可以滿足滿載起動(dòng)的要求[2]。

軟起動(dòng)器的起動(dòng)特性較變頻器有一定的差距，但是價(jià)格和維修成本等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，作為變頻器的備用驅(qū)動(dòng)方案對(duì)于綜采面不停機(jī)生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值。

1.2 綜采面變頻驅(qū)動(dòng)方式

圖1所示為目前大型礦井綜采面前部刮板輸送機(jī)(后部刮板輸送機(jī)同前部)普遍采用驅(qū)動(dòng)方式，變頻器具有2個(gè)獨(dú)立的輸出回路，可由1臺(tái)BPJ-2*1250/3.3變頻器驅(qū)動(dòng)機(jī)頭和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)，具有單機(jī)模式或主從模式選擇；輸出回路之間可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率平衡。如果變頻器出現(xiàn)故障后部刮板輸送機(jī)停機(jī)進(jìn)行維修，事故響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)[4]。

圖1 綜采面變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.3 綜采面一用一備驅(qū)動(dòng)方式

綜采面變頻驅(qū)動(dòng)方式如圖2所示，在原有驅(qū)動(dòng)方案中增加1臺(tái)高壓雙回路軟起動(dòng)器和礦用隔爆雙驅(qū)切換裝置，變頻器的2個(gè)輸出回路經(jīng)雙驅(qū)轉(zhuǎn)換裝置的兩端I回路輸入至隔離開關(guān)QS1和QS3，然后輸出至機(jī)頭和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)；高壓雙回路軟起動(dòng)器2個(gè)輸出回路經(jīng)雙驅(qū)轉(zhuǎn)換裝置的兩端II回路輸入至隔離開關(guān)QS2和QS4，然后輸出至機(jī)頭和機(jī)尾電動(dòng)機(jī)。

礦用隔爆雙驅(qū)切換裝置QS1和QS2、QS3和QS4之間有機(jī)械互鎖功能，變頻器和軟起動(dòng)之間起動(dòng)回路有電氣互鎖功能，確保變頻器和軟起動(dòng)之間唯一運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)一般默認(rèn)QS1和QS3合閘變頻驅(qū)動(dòng)，QS2和QS4處于分閘狀態(tài)，而且高壓軟起無法送電運(yùn)行；變頻器出現(xiàn)故障后，QS1和QS3分閘斷開后QS2和QS4才能合閘，高壓軟起動(dòng)送電運(yùn)行，不影響綜采面生產(chǎn)。

圖2 綜采面一用一備驅(qū)動(dòng)方式

2 礦用隔爆雙驅(qū)切換裝置設(shè)計(jì)

圖3所示為礦用隔爆雙驅(qū)切換裝置(切換裝置)，該裝置殼體兩端分別安裝3個(gè)快插，即左右兩端各兩回路、輸入I回路、輸出如圖2所示，內(nèi)部安裝4個(gè)隔離開關(guān)QS1、QS2、QS3、QS4，并由4個(gè)隔離手柄進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。左端兩回路(變頻器輸出和軟起輸出)通過兩回路輸入快插進(jìn)入殼體連接左端QS1、QS3輸入，QS1、QS3輸出端短接后經(jīng)過左端輸出快插連接電動(dòng)機(jī)，右端連接同左端一致。為保證操作的安全性在隔離內(nèi)部增加了門閉鎖、回路閉鎖等機(jī)械閉鎖和電氣閉鎖裝置[5-6]。

1-隔離手柄； 2-輸入快插； 3-隔離開關(guān)； 4-輸出快插； 5-隔離開關(guān)用萬轉(zhuǎn)開關(guān)； 6-回路切換用萬轉(zhuǎn)； 7-門閉鎖桿； 8-門閉鎖盤； 9-急停開關(guān)； 10-閉鎖電插鎖； 11-回路閉鎖連桿； 12-回路閉鎖連扳。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和閉鎖裝置設(shè)計(jì)。殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證產(chǎn)品必須具有隔爆性和耐爆性，并且保證內(nèi)部電器元件安裝合理緊湊，這部分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。閉鎖裝置設(shè)計(jì)必須掌握井下供電要求結(jié)合產(chǎn)品使用工況完成是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

閉鎖裝置結(jié)構(gòu)必須滿足：只有隔離全部斷電后殼體門才能打開，且打開后隔離無法動(dòng)作；兩回路隔離之間必須有回路閉鎖，避免兩回路隔離同時(shí)合閘造成回路短路事故。對(duì)于閉鎖1要求，通過門閉鎖桿和門閉鎖盤之間的形狀限位完成，隔離手柄斷開隔離開關(guān)時(shí)帶動(dòng)門閉鎖盤旋轉(zhuǎn)，盤上缺口給門閉鎖桿讓位橫移解除門蓋閉鎖；對(duì)于閉鎖2要求，在關(guān)門狀態(tài)下，回路切換萬轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)至1位、0位和2位，對(duì)應(yīng)QS1合閘、QS1和QS3分閘和QS2合閘狀態(tài)，通過帶動(dòng)回路閉鎖連桿旋轉(zhuǎn)連帶回路閉鎖連板上下移動(dòng)，連板上凸字結(jié)構(gòu)進(jìn)行手柄軸限位，確保任何時(shí)候只有一個(gè)隔離手柄可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)合閘，萬轉(zhuǎn)在0位滿足2個(gè)隔離同時(shí)分閘。

2.2 電氣原理設(shè)計(jì)

電氣原理設(shè)計(jì)主要包括線路電流電壓檢測(cè)、合閘指示等基礎(chǔ)功能，短路、過載及漏電等主要保護(hù)功能在變頻器和軟起動(dòng)都配置，不作為設(shè)計(jì)內(nèi)容。考慮該裝置保證變頻器和軟起動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)源能夠獨(dú)立工作且相互備用無縫銜接，兩驅(qū)動(dòng)之間的電氣邏輯控制是電氣原理設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

1) 正常運(yùn)行時(shí)，如果需要將隔離斷開，必須通過急停-隔離機(jī)械閉鎖按下急停按鈕，電氣閉鎖功能將上級(jí)驅(qū)動(dòng)裝置分閘斷電，隔離和電動(dòng)機(jī)失電，避免隔離帶負(fù)荷斷電產(chǎn)生電弧燒毀設(shè)備的事故發(fā)生。

2) 正常送電操作時(shí)，必須隔離開關(guān)合閘至驅(qū)動(dòng)I回路或驅(qū)動(dòng)II回路，這時(shí)回路上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)才能合閘送電，必須隔離開關(guān)合閘后驅(qū)動(dòng)才能送電，避免隔離帶負(fù)荷送電。

3) 正常送電操作和切換驅(qū)動(dòng)回路時(shí)，必須保證驅(qū)動(dòng)合閘的“唯一性”，隔離開關(guān)合閘至驅(qū)動(dòng)I回路時(shí)，II回路上的驅(qū)動(dòng)裝置無法合閘送電，反之亦然?？傊粋€(gè)回路的隔離開關(guān)帶電運(yùn)行時(shí)，另一回路上驅(qū)動(dòng)裝置無法合閘，始終確保備用回路隔離開關(guān)進(jìn)線處于無電狀態(tài)。

2.2.1 急停閉鎖設(shè)計(jì)

雙驅(qū)起動(dòng)接線如圖4所示,S101為變頻器1回路急停按鈕處于常閉狀態(tài)，LW1為圖3中隔離開關(guān)用萬轉(zhuǎn)，1回路隔離開關(guān)合閘時(shí)LW1中3和4節(jié)點(diǎn)接通按鈕起動(dòng)，按下S101后變頻器遠(yuǎn)端控制斷路，變頻器輸入接觸器分閘，隔離開關(guān)通過急停-隔離機(jī)械閉鎖分閘。

圖4 雙驅(qū)起動(dòng)接線圖

2.2.2 回路閉鎖設(shè)計(jì)

為保證驅(qū)動(dòng)合閘的“唯一性”，除了采用圖3的回路閉鎖裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖外，考慮到回路合閘狀態(tài)顯示和井下工人違章操作，利用隔離開關(guān)用萬轉(zhuǎn)LW1和LW0的節(jié)點(diǎn)通斷實(shí)現(xiàn)合閘顯示和驅(qū)動(dòng)裝置兩回路的電氣閉鎖。將圖3中回路切換萬轉(zhuǎn)LW0旋轉(zhuǎn)至1回路如圖4中5和6節(jié)點(diǎn)接通，但是2回路上3和4斷開，另外回路上隔離開關(guān)用萬轉(zhuǎn)的13和14節(jié)點(diǎn)如圖5串入對(duì)方起動(dòng)回路，通過2個(gè)萬轉(zhuǎn)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)接入實(shí)現(xiàn)合分閘信號(hào)的輸出和驅(qū)動(dòng)回路的互相閉鎖。

圖5 隔離用萬轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)

2.2.3 觸頭黏連后備閉鎖設(shè)計(jì)

正常情況下在按下急停按鈕時(shí)變頻器輸入接觸器分閘，隔離開關(guān)通過解除急停-隔離機(jī)械閉鎖分閘。但是在井下工況中經(jīng)常出現(xiàn)接觸器黏連的狀況，這時(shí)即使按下急停按鈕，切換裝置上級(jí)仍帶電，隔離開關(guān)屬于帶負(fù)荷斷電。這時(shí)如圖3在隔離手柄的門閉鎖盤旁安裝失電型DCS(電插鎖)裝置，該裝置帶電時(shí)插鎖頭伸出限制門閉鎖盤旋轉(zhuǎn)，失電時(shí)插鎖頭退回解除限制。如圖6所示，將DCS(電插鎖)的供電回路串入本回路驅(qū)動(dòng)裝置的接觸器輔組觸點(diǎn)中，驅(qū)動(dòng)裝置斷電，該裝置接觸器輔組觸點(diǎn)斷開，DCS(電插鎖)解除限制；如果接觸器觸頭黏連，那么輔組觸點(diǎn)仍連接，電插鎖仍限制門閉鎖盤旋轉(zhuǎn)，隔離開關(guān)無法分閘避免帶負(fù)荷分閘[7]。

圖6 電插鎖電氣原理

3 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)電源切換裝置以1 140 V為主，不適應(yīng)井下高產(chǎn)高效的綜采工作面3.3 kV的供電系統(tǒng)，因此在不改變綜采面供電方式及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，增加高壓軟起動(dòng)作為變頻驅(qū)動(dòng)的后備驅(qū)動(dòng)，增加礦用隔爆雙驅(qū)切換裝置實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)的無縫切換。一方面可以實(shí)現(xiàn)綜采面不停產(chǎn)檢修變頻器，另一方面可以減少無計(jì)劃停機(jī)故障時(shí)間，保證綜采面高效生產(chǎn)。