變頻技術在大型膠帶輸送機中的應用

摘要：在煤礦運輸系統中一般應用膠帶輸送機作為主要傳輸工具。隨著變頻技術的不斷成熟，及其在調速性能上、運行穩定性方面等突出的優勢，能夠起到提高運煤效率，減少能源耗費的效果。文章從變頻技術在膠帶機中實現調速的原理進行切入，就變頻技術在大型膠帶輸送機中的應用進行了論述。

關鍵詞：煤礦運輸系統；變頻技術；調速；膠帶輸送機

中圖分類號：TD528 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）25-0046-03

隨著國家工業化進程的加快，煤礦、電力、石油等能源需求量在不斷增加，尤其是煤礦大量應用于發電等場合，越來越多的企業投入到煤礦開采中，因而現階段煤炭資源已趨于飽和。為降低煤礦開采的成本，減輕煤礦企業運營負擔，當前煤礦企業多采用膠帶輸送機運輸，并引進變頻技術改善其運行速度，從而實現高效、節能。

1 膠帶輸送機在煤礦中的應用

在煤礦井下巷道、選煤廠和露天采礦作業中，膠帶輸送機的使用較為普遍，可實現連續輸送。膠帶輸送機在安裝時，利用膠帶卡子或其他工藝如硫化方式等將膠帶連接成封閉環形，用張緊裝置將它們張緊，在電動機的驅動下，靠膠帶與驅動滾筒之間的摩擦力，使膠帶連續運轉，從而達到將貨物由膠帶輸送機沿線的一個地方運到卸載部將貨物卸載。張緊裝置的作用就是將膠帶張緊，使膠帶與驅動滾筒具備足夠的摩擦力，使兩托輥組支架間的膠帶控制在一定的撓度范圍內，從而使膠帶輸送機正常運轉。

在煤礦生產過程中，膠帶輸送機可實現水平方向及傾斜巷道方向的運輸，在應用于傾斜向上運煤場合中，其工作所允許的傾斜角度不超過20°，塊煤不超過18°；而在進行傾斜向下運動時，其允許的傾角是上述值的80%。相比于傳統使用的刮板輸送機，膠帶輸送機的運煤能力更強，且工作阻力小，并能降低原煤的破碎程度，保障運煤的質量，因而在煤礦中應用較為普遍。

由于膠帶輸送機上的膠帶屬于彈性體，其在靜止或運動狀態時會儲存能量，當輸送機啟動時，若未配備軟啟動設備，則將引起存儲的能量快速釋放，并形成沖擊波作用于膠帶，極易造成膠帶和設備的損壞。因而根據國家對煤礦安全生產的相關要求，膠帶輸送機在啟動時需配置軟啟動裝置。當前我國絕大多數煤礦企業在使用膠帶輸送機時，一般是以工頻方式拖動，電機工頻運行，在液力耦合器作用下將動力傳送給膠帶輸送機裝置。因電機長期以工頻方式運行，且液力耦合器的傳動效率不穩定，因而造成膠帶輸送機的工作效率不理想；此外，液力耦合器的長期運行會造成其內部油溫升高、機械部件損耗、液體泄漏等情況的發生，多臺電機驅動功率平衡難控制，設備啟動沖擊振動較大，嚴重影響到輸送機的安全運行。隨著變頻技術的不斷發展，在煤礦膠帶輸送機中得到廣泛應用，有效地改善了上述情況的發生。

2 膠帶輸送機在煤礦中的性能要求

在煤礦運輸系統中使用的多為鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機，其可進行長距離傳輸，且具有承載和牽引雙功能，可簡化煤礦的運輸系統，并保證傳輸效率。然而鋼絲繩芯帶式膠帶輸送機在運行時，其對牽引力、驅動速度等方面有較高的要求，除滿足普通用帶式輸送機的軟啟動、功率平衡、重載啟動等技術要求外，對調速特性及負力制動方面也有嚴格要求，因而其運行可使用直流調速技術加以驅動。然而在實際使用中發現，直流電機及調速系統存在無法防爆等不足之處，因而當前多利用交流變頻調速系統在膠帶輸送機的使用以改善上述問題。

2.1 功率平衡性要求

因鋼絲繩芯帶式輸送機適用于長距離運輸，其需使用多個交流變頻電機進行驅動，并在驅動滾筒與膠帶的摩擦力作用下實現整個膠帶輸送機的運行。若是功率不平衡，則可能引起電機負荷出現分配不均勻情況，因而會加劇驅動裝置的磨損程度，嚴重情況下可能會損壞電機，因此需嚴格控制膠帶輸送機的電機驅動功率平衡問題。

2.2 膠帶輸送機的無極調速要求

鋼絲繩芯帶式輸送機在煤礦生產中主要承載長距離運煤及驗繩等多種功能，在不同應用場合下對輸送機中膠帶的運行速度有著不同的要求，并能保證運行速度的穩定性，在進行速度調整時能平滑調速。

2.3 軟啟動及功率平衡重載啟動的要求

在上述中提到，因膠帶輸送機中的膠帶是彈性材料，因而能進行儲能，在膠帶輸送機工作啟動時，在未具備軟啟動功能的情況下，膠帶極有可能會因能量的釋放而發生滑動，進而影響其正常運行；另外輸送機在使用時，不可避免會發生帶載停車現象，因而要求其具備重載啟動的功能，以保障設備的正常工作。

2.4 驅動系統的制動性能

帶式膠帶輸送機在正常工作狀態下，電機的輸出轉矩與所帶的負載轉矩保持平衡，然而當制動時，電機的動力矩突降為0，輸送機的減速加速度是比較大的，考慮到輸送機系統的慣性較大，減速沖擊對系統的各個設備的破壞是比較大的，并可能引起輸送機與運料間發生相對運動而發生事故，因而需對系統的制動加以優化。

3 變頻調速系統在膠帶機中的應用

3.1 變頻調速系統結構組成

變頻調速系統主要由變頻主電路、數控系統、運行指示、模擬輸入輸出等組成。變頻主電路是變頻系統的核心裝置，通用電路如下圖1所示。主電路包括有整流、直流及逆變環節，從而實現交流—直流—交流的轉換。整流部分主要依賴于6個二極管的單相導通性能，從而可將三相交流電源RST整形為直流電；而直流部分則主要是將電容與分壓電阻配合使用，電容的作用主要是儲能及濾波，從而維持直流電壓UD的穩定性，而分壓電阻的使用則主要是為避免各電容因工作性能的差異產生較大壓降而擊穿電容，可在電路中加上電阻進行分壓從而確保電容壓降一致；逆變部分則主要由6個高速開關、低功耗IGBT模塊及以反并聯方式接入電路的二極管組成，二者配合使用可實現將直流電壓UD轉換為頻率及有效電壓值均可改變的三相交流電。

數控系統主要是有集成電路、CPU處理芯片及基極驅動電路等組成。當數控系統中的CPU接收到輸入電路的控制信號后，通過芯片中燒入的程度對數據進行處理、轉矩運算等過程，從而生成PWM波形，輸出到基極驅動電路中，對逆變電路中的IGBT模塊進行開、斷控制；運行指示模塊則是對調速系統各功能模塊的運行狀態、故障信息等加以直觀顯示，從而使工作人員了解當前調速系統的工作情況；最后，模擬輸入輸出功能則主要是利用模擬或數字的方式模擬用戶對調速系統的輸入信號控制，從而實現自動化控制。

3.2 變頻調速系統在膠帶輸送機的應用需求

3.2.1 可實現對膠帶輸送機的軟啟動。通過變頻調速技術驅動膠帶輸送機后，變頻調速裝置具備的軟啟動功能可大大提高電機轉速的控制精度，利用對異步電機的緩慢起動，從而帶動膠帶輸送機同步緩慢啟動，給予皮帶充足時間釋放存儲的能量，進而降低膠帶張力波造成的沖擊力破壞。

3.2.2 驅動功率平衡性要求。在使用變頻器裝置驅動膠帶輸送機時，通常是選擇使用一拖一的方式進行控制。若需驅動多個電機，使用主從結構進行控制，如此便可保證運動中要求的線速度、轉動力矩一致，從而達到功率平衡性要求。

3.2.3 調速范圍寬、可滿足自動平滑速度。上述中提到，在膠帶輸送機中使用的電機主要是交流異步驅動電機，其轉速的計算公式N=60f（1-s）/p，其中f表示交流電的變化頻率值，而s則反映出轉速率的大小，p是極對數的值。在實際計算時，s、p值的大小均是確定值，因而電機轉速大小直接取決于交流電的頻率f。若f值取值在[0，50]區間內變化時，電機的轉速可調節范圍比較寬，而變頻裝置可通過程序延時控制其輸出頻率變化，因而可靈活調節PWM頻率范圍，滿足不同場合下對電機驅動速度的要求。

3.2.4 自動調速、節能效果明顯。在對膠帶輸送機進行調速控制時，能實現膠帶輸送機根據負載變化動態自動調整運行速度，考慮去除各種損耗實際節電可達23%左右。膠帶機低速運行時，機械設備各部件磨損都減少，延長了設備的使用壽命，節約效果明顯。

3.3 膠帶輸送機變頻調速系統的系統組成及控制

在膠帶輸送機中使用的變頻調速系統結構與其通用電路組成相似，仍主要是整流模塊、直流濾波、逆變模塊及數字控制等組成，參考圖1。其節能控制的實現主要通過負載進行輸送膠帶的速度控制，因考慮到負載的不均勻，檢測輸出的結果是上一次膠帶運煤的流量，存在時間滯后問題，造成在調節輸送帶的速度上便相對較模糊，因而可通過模糊控制方式實現對負載的追蹤檢測，即在誤差值較大的情況下，控制量以盡量減少誤差為主，若使用的膠帶輸送機所帶的負載量加大，則相應的膠帶應進行提速，同時變頻裝置的控制電壓也應升高。

4 變頻調速裝置在膠帶機中應用選型

4.1 煤礦作業環境

由于礦區井下環境空氣潮濕、可開展空間狹小，且空氣中存在瓦斯、粉塵等具有危險隱患的易燃易爆物，根據國家對礦區生產作業提出的安全規定，煤礦井下用于開采、挖掘、運輸等電氣裝置及其輔助性設備，需具備防爆及安全作業等性能；另外，需對作業現場的電氣爬電、散熱控制等進行充分地了解。若使用水冷方式冷卻，需兼顧到變頻裝置對水質的要求，從而避免因水質差而影響變頻裝置的散熱性能。

4.2 變頻器的防護等級

在選擇使用變頻裝置時，需考慮到其防護等級與現場作業環境的適用性問題，若選擇不當，則礦區中的煤塵、煤粉及水汽等將會影響其使用，并導致故障問題的頻繁發生。變頻器的防護等級主要有IP00、IP20、IP54等，在實際使用時應重合結合現場作業環境，一般而言，礦用變頻裝置的防護等級需至少在IP54以上。

4.3 變頻器的容量選擇

使用變頻器控制異步電機的轉速時，變頻器的容量選擇通常依據異步電機的額定電流或工作電流值作為選擇的參考值。因考慮到膠帶輸送機啟動較為頻繁且所帶負載等慣性較大等因素，其在啟動時會出現振蕩，且異步電機在進行減速動作時，會有能量的回饋作用。為確保變頻器的安全、穩定性運行，且延長其使用壽命，應選擇使用容量值較大的變頻裝置加快啟動時間，減少振蕩及電能回饋問題的發生；此外，在進行變頻裝置的選擇時，應盡量將規格相同的膠帶輸送機配備統一的變頻器，從而方便備用、替代器件的采購，同時便于后期的維修工作。

4.4 應用示例

神東公司大柳塔煤礦井下大巷8700米膠帶輸送機采用變頻調速技術，很好地解決了膠帶輸送機軟啟動控制，使用7臺1000kW交流異步電動機變頻控制器，其中1臺為主控單元，其余6臺為下位機，并在CAN總線的通信下實現主從機對膠帶的拖動控制。

在皮帶頭部分使用4臺變頻器，并編號為1-4，中間部分則使用3臺變頻器裝置，編號為5-7。這7臺變頻裝置形成總線網絡結構，并利用控制臺控制處于皮帶頭中的1號變頻器裝置（可設任一臺為主機），而剩余6個從機在主機的命令下動作，從而實現動態功率平衡及對皮帶的加減速、停機、張緊動作。因在控制過程中，各從機均統一接收主機命令，自動調整本身輸出狀態，實現了整條皮帶的穩定運行。經過2年多的運行，設備運行可靠穩定。

5 結語

使用變頻技術對膠帶輸送機的運動進行控制后，可彌補膠帶機自啟動造成的不足，并實現在多個速度間的平滑調整。通過實踐證明，相比與其他控制系統而言，變頻調速控制不僅可降低膠帶在啟動中的張力波沖擊，延長其工作壽命，而且可根據膠帶輸送機所帶負載信息自動調整輸出頻率及力矩的變化，從而打破傳統的工頻勻速運行狀態，提高對電能的有效利用率。從另一方面講，變頻控制技術屬于節能型技術應用，因而，在煤礦膠帶輸送機中使用變頻技術，可實現經濟及社會效益的雙贏，對建設節約型社會也有極大的幫助。

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作者簡介：孫學政，山東單縣人，神華神東煤炭集團有限公司大柳塔煤礦電氣工程師，研究方向：煤礦供電與電氣控制。