張永華

（國家能源集團準格爾能源有限責任公司 哈爾烏素露天礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著技術的進步和國家對綠色礦山的要求，帶式輸送機系統(tǒng)在露天礦運輸中承擔著運輸煤炭的重要作用，驅(qū)動方式由工頻電源直接驅(qū)動電動機帶動帶式輸送機系統(tǒng)運轉。隨著變頻技術逐步發(fā)展，使用變頻器驅(qū)動帶式輸送機系統(tǒng)的優(yōu)越性越來越明顯。

1 哈爾烏素選煤廠原煤車間輸煤系統(tǒng)

輸煤系統(tǒng)主要包括3 套進口英國MMD 破碎站、11 條大型遠距離帶式輸送機、2 臺大型堆取料機，6 套重型刮板機，12 路高壓進線，42 個移動變配電室，43 臺6 kV 高壓電機，452 套五保裝置等設備組成。原煤車間的帶式輸送機輸送系統(tǒng)包括軟啟動裝置、高壓變頻器、帶式輸送機保護裝置等主要裝置及數(shù)字式輸送帶秤、除鐵器、檢修天吊、各式除塵器、破碎噴灑抑塵、超溫灑水系統(tǒng)、配電感溫感煙報警系統(tǒng)和消防等輔助裝置。其中輸煤輸送帶系統(tǒng)從破碎站到毛煤倉全長11.8 km。帶式輸送機帶面寬1 600 mm，運行帶速4.7 m/s，設計上煤量3 500 t/h，其中1＃與2＃系統(tǒng)可以交差配合使用。針對原煤車間3 號系統(tǒng)進行了由軟啟動改造為高壓變頻啟動的智能化升級，在智能輸送項目中主要M31、M32、M33 3 條帶式輸送機的變頻調(diào)速是重點。

2 智能化升級改造后變頻啟動技術方案

高壓變頻國內(nèi)外技術90%以上均采用由多個中壓（690 V）的IGBT 功率單元串聯(lián)而成，各個單元由移相變壓器的2 次繞阻分別供電，根據(jù)輸出電壓（6 kV/10 kV）等級不同，由5～9 個功率單元組成。多級移相整流方式可以優(yōu)化網(wǎng)側的電流波形，使負載以下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近于1。變壓器副邊側繞組的獨立性使每個功率單元的主回路相對獨立，有效地提高了變頻器整體運行的可靠性[1-3]。

1）智能化升級改造前情況。原煤車間智能化升級改造前的M31 帶式輸送機為3 臺6 kV 高壓電機驅(qū)動，每臺電機的功率為450 kW。原使用液力耦合器將減速機與驅(qū)動滾筒連接。M32、M33 帶式輸送機均為泰安力博生產(chǎn)的軟啟動裝置驅(qū)動3 臺6 kV 高壓電機，功率為550 kW。采用液力耦合器將減速機與驅(qū)動滾筒連接。3 條帶式輸送機的電機高壓電源均取自電機附近的箱式移動變電站中的高壓柜，高壓柜型號為XGN 型半固定式高壓柜，主回路采用刀開關加真空接觸器方式。

2）智能化升級改造后情況。智能化改造后將M31帶式輸送機的3 臺液力耦合器和M32、M33 帶式輸送機的6 臺液力耦合器及軟啟動裝置等附屬設備拆除，改為蛇形彈簧聯(lián)軸器將減速機與驅(qū)動滾筒直接連接。

在3 條帶式輸送機箱式變電站旁邊新建3 座SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置半移動配電室，每座高壓變頻器室內(nèi)配置3 套高壓變頻器，高壓變頻器電源取自原有帶式輸送機高壓電機高壓柜，原高壓柜未做改動，停送電方式不變。智能化升級改造后M31、M32、M33 的高壓變頻器調(diào)速技術方案為直接通過高壓變頻器對高壓電機進行驅(qū)動，電源由高壓配電柜直接提供。采用的高壓變頻器均由移相隔離變壓器、功率單元柜、控制柜組成，冷卻均采用風冷散熱，每個高壓變頻器室都由3 臺工業(yè)空調(diào)進行冷卻。

3 SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置

SolidDrive 系列高壓變頻調(diào)速裝置采用單元串聯(lián)多電平主電路結構，全數(shù)字無速度傳感器矢量控制。變頻器功率單元采用標準的配置即6 kV、15 個功率單元組成，每相5 個功率單元串聯(lián)組成一相，三相構成Y 型接，直接給6 kV 高壓電機供電。

3.1 功率單元結構

每個功率單元采用模塊化設計，結構上完全一致，可以互換。另有自動旁路功能的功率單元，每個功率單元全部包含1 塊單元控制板，實現(xiàn)每個功率單元與主控系統(tǒng)通訊、驅(qū)動及保護、IGBT、功率單元的其他保護等。輸入隔離變壓器的每1 個次級繞組只給1 個功率單元提供電源。加在電機端子上的電壓是由許多較小幅度電壓疊加所產(chǎn)生的而不是采用較少的大幅度電壓，與標準的PWM 系統(tǒng)不同。每個功率單元通過光纖接收信息以產(chǎn)生負載所需要的輸出電壓和頻率，對電機絕緣的電壓應力顯著減小而電機電流的質(zhì)量則較大提高。因為每個功率單元由變壓器具有不同角度相位差的次級繞組供電，所以高壓變頻調(diào)速裝置輸入電流失真明顯減少，輸入功率因數(shù)大于0.95。功率單元結構圖如圖1。

圖1 功率單元結構圖

3.2 Solid Drive 變頻器原理

1）輸入側結構。經(jīng)過升級改造后的高壓變頻調(diào)速裝置輸入側由移相變壓器給每個功率單元供電。變壓器采用一體化隔離變壓器，H 級絕緣，絕緣等級高。采用了杜邦Nomex 技術，具有高可靠，環(huán)保設計。針對6 kV 系列構成30 脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可大大改善網(wǎng)側的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1。輔助繞組給高壓變頻調(diào)速裝置的控制部分供電和高壓變頻的冷卻提供電源[4-5]。

2）輸出側結構。輸出側由每個單元的輸出端子T1，T2 串聯(lián)成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM 波形進行疊加，可得到階梯型的PWM 波形，且波形的正弦度好，可減少對電纜和電機的絕緣損壞[6]。輸出不需要輸出濾波器，且電機無需降額使用，可直接用于舊電機的改造。同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機械應力[7]。當某1 個單元出現(xiàn)故障時，通過單元的自動旁路功能（選件）可將故障的單元旁路出系統(tǒng)，而不影響其他單元的正常運行，高壓變頻調(diào)速裝置因此可持續(xù)降額運行，由此可減少很多場合下因突然故障停機造成的損失。

4 存在問題及解決方案

4.1 移相變壓器及功率單元模塊損壞問題

1）故障1。M32 驅(qū)動站2＃變頻器故障，A1、A2、C4 3 臺100 A 功率單元損壞，后續(xù)上電運行C2 單元故障；經(jīng)現(xiàn)場檢查，共計損壞4 個單元，1 臺移相變壓器次級繞組線圈有變形現(xiàn)象。電網(wǎng)電壓有瞬時過壓的可能導致IGBT 損壞，A1、A2、C4 損壞單元在損壞前均有單元電壓過高故障記錄；頻繁上高壓電，沖擊浪涌電流有可能造成移相變壓器繞組變形導致絕緣或者電壓畸變造成單元IGBT 損傷，后續(xù)在運行中損壞；由于原接觸器的使用，導致頻繁送電，勵磁電流的連續(xù)沖擊，引起單元板控制電源部分的開關管過壓后損壞，運行過程中驅(qū)動電壓的丟失引起IGBT 逆變模塊損壞。

2）故障2。M32 驅(qū)動站1＃變頻器變壓器燒毀，從產(chǎn)品結構，設計原則、生產(chǎn)過程進行分析和排查，變壓器頻繁接受勵磁涌流沖擊時，導致固定繞組的鐵軛墊塊松動、錯位、脫落；現(xiàn)場粉煤灰主要為碳元素具有導電性，在粉塵狀態(tài)下遇到高溫有閃爆特性，變壓器上高壓后，變壓器線圈風道內(nèi)煤粉受到溫度及電磁影響，出現(xiàn)閃爆，促使線圈變形松動，變壓器鐵軛墊塊松動、錯位、脫落。經(jīng)變壓器廠專家分析由于生產(chǎn)需要，變壓器每日頻繁停、送高壓3～7 次，在變壓器啟、停瞬間產(chǎn)生的電磁力使B 相高壓繞組在軸向往復受力，高壓繞組下端鐵軛墊塊脫落。

由于電氣設備停、送高壓電瞬間會產(chǎn)生操作過電壓，現(xiàn)場變壓器頻繁啟停，遭受系統(tǒng)過電壓沖擊次數(shù)及擊穿風險遠大于正常運行設備。高壓變頻器應在實際生產(chǎn)過程中盡可能保持通電狀態(tài)，以減少對變壓器的頻繁沖進，因此需要變頻器上游高壓柜時刻保持送電狀態(tài)。

5＃原煤系統(tǒng)所采用的高壓變頻器供電系統(tǒng)與現(xiàn)有3＃系統(tǒng)供電方式相同，但變頻器上游采用高壓真空斷路器供電，且五保及急停停機時，保持上游高壓真空斷路器一直吸合，只停止高壓變頻器。5＃系統(tǒng)高壓變頻器自投產(chǎn)至今，只發(fā)生過1 次功率單元損壞故障。根據(jù)現(xiàn)有3＃系統(tǒng)高壓配電柜系統(tǒng)結構，變頻器上游為高壓真空接觸器，不適合長期吸合，從生產(chǎn)安全考慮，將對現(xiàn)有系統(tǒng)高壓真空接觸器進行更換，改為真空斷路器。改造初期對高壓柜內(nèi)母排及保護裝置進行出圖、設計、改造，保證生產(chǎn)的操作安全，并將安全保護信號納入智能監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)視。結合選煤廠實際生產(chǎn)情況，逐步對M31、M32、M33高壓系統(tǒng)進行改造。

根據(jù)車間生產(chǎn)的實際要求變壓器完善維修方案,并督促變壓器將維修壓縮至最短時間，由原來的20 d 縮短至最長不超過14 d，盡量減少產(chǎn)能損失。維修后的變壓器，由變壓器廠重新檢測，提供維修合格證，確保產(chǎn)品質(zhì)量過關。

5.2 變頻器室散熱及防塵問題

1）問題描述。每個變頻器室有2 臺10 P 空調(diào)，以解決高壓變頻器工作時產(chǎn)生大量熱量，但在冬季室外環(huán)境溫度過低時，空調(diào)室外機無法正常工作，造成變頻器室溫度過高，高壓變頻高溫故障停機。冬季在空調(diào)外機增加保溫措施，在室外溫度-30 ℃，空調(diào)可正常啟動運行，且停機次數(shù)明顯減少。在M31、M32、M33 高壓變頻器室空調(diào)室外機外部增加1 個不銹鋼過濾網(wǎng)護罩及室外機自動控制保溫方案。護罩結構采用30 mm×3 mm 的角鋼為框架，1.5 mm 厚鍍鋅板做為殼體，護罩上方對應空調(diào)室外機風扇設置出風口，出風口位置設置了不銹鋼過濾網(wǎng)，在殼體兩側裝設有帶不銹鋼過濾網(wǎng)的進風口和抽拉式過濾網(wǎng)，可實現(xiàn)隨時拆卸和清理方便檢修。在空調(diào)機護罩殼體內(nèi)設有50 mm 厚保溫棉，為在室外溫度較低時使用。護罩內(nèi)在空調(diào)室外機油管處增加伴熱帶，保證空調(diào)室外機能正常工作。

2）自動保溫。利用熱電阻分別測量2 個防護罩內(nèi)油管溫度，并測量變頻器室內(nèi)環(huán)境溫度，在智能控制系統(tǒng)內(nèi)增加溫度采集模塊和低壓繼電器，單獨控制伴熱帶運行，伴熱帶采用自限溫阻燃形式，最高加熱溫度到30 ℃。這樣由自動控制，當防護罩內(nèi)溫度低時，PLC 給出信號控制拌熱帶加熱，保證空調(diào)可隨時工作，可自動區(qū)分冬夏季節(jié)，不因長時間停機導致室外機不工作，無法降溫。此方案施工可行性高、不影響生產(chǎn)、短期內(nèi)可實現(xiàn)，安裝后使用效果達到預期。

5 結語

哈爾烏素選煤廠原煤車間3＃系統(tǒng)經(jīng)過智能化升級改造后，智能化變頻調(diào)速系統(tǒng)由破碎站的高料位保護控制、3 條輸送帶智能調(diào)速控制、變頻器及電機機務改造等主要部分組成。由于系統(tǒng)來煤量不可控，整條輸煤系統(tǒng)在啟動后長期在額定速度運行，造成整個運輸系統(tǒng)能源浪費。一旦某輸送環(huán)節(jié)發(fā)生問題，很可能造成堆煤、堵煤和灑煤。采用視頻識別煤量算法的研究和對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，通過有限元思想離散化方法計算出輸送帶攜煤量，基于輸煤系統(tǒng)安全及主要運行參數(shù)約束，兼顧輸煤系統(tǒng)特點采用分級控制計算出輸送帶的變頻器輸出，在安全的前提下減少系統(tǒng)能耗。基于離散化算法得出的帶式輸送機攜煤量與煤倉儲煤量對配倉系統(tǒng)進行智能調(diào)節(jié)。經(jīng)過升級改造后大大提高了上煤效率，節(jié)約輸煤過程中電能消耗，減少了設備的故障率，同時也節(jié)約了人力和設備成本。