煤礦運輸機中變頻調速技術的應用

楊杰 毛震

【摘 要】交流電動機變頻調速技術因其有先進的調速方式和顯著的節(jié)能效果而得到了廣泛應用。文章通過介紹變頻器的原理，說明了變頻調速技術在煤礦運輸機中應用的可行性和合理性。

【關鍵詞】變頻調速技術；煤礦運輸機；交流電動機

Mine Conveyor Application Frequency technology

Yang Jie，Mao Zhen

（Schenck （Tianjin） Industrial Technology Co.， Ltd Tianjin 300385）

【Abstract】AC motor frequency control technology for its advanced speed way and significant energy savings and has been widely used. The article introduces the principle of the inverter shows the frequency conversion technology in coal mine application feasibility and rationality of transport.

【Key words】Frequency Control Technology；Coal transport；AC motor

1. 前言

（1）隨著現代國內外變頻調速技術的不斷成熟和提高，變頻器在我國礦山機電設備中得到越來越廣泛的應用。我礦的上倉強力皮帶輸送機原采用工頻拖動，液力偶合器傳動，存在傳動效率低、啟動電流沖擊及機械沖擊大等問題，造成了系統運行不經濟；皮帶和液力偶合器磨損嚴重，維修及維護成本高；由于是多電機驅動，很難做到多電機驅動功率平衡。因此對皮帶運輸機采用變頻控制，能有效降低企業(yè)生產成本，提高企業(yè)經濟效益；控制系統本身良好的控制性能和完善的保護環(huán)節(jié)，能有效避免事故的發(fā)生和延長皮帶機的使用壽命。本文簡要介紹了煤礦強力皮帶輸送機的變頻控制改造及使用情況。

（2）交流電動機變頻調速技術簡單說就是根據三相異步電動機的轉速隨頻率變化的特性，通過改變交流電機的供電頻率進行調速的一種技術方法，因其有先進的調速方式和顯著的節(jié)能效果，而得到了廣泛應用。尤其是煤礦生產企業(yè)中變頻器的應用更是廣泛。在煤炭行業(yè)中使用的生產機械絕大部分是通過電動機來拖動的，如采煤機、運輸機、提升機、風機、水泵等設備都采用電動機拖動，而運輸機更是煤礦生產中的主要運輸工具，在露天煤礦的煤炭作業(yè)中，最重要的環(huán)節(jié)就是運輸機系統。該環(huán)節(jié)能否正常運行直接影響到整個系統的能力的發(fā)揮，因此，如何合理有效的對運輸機系統進行正確的監(jiān)控就十分重要。隨著電力電子技術和通訊技術的發(fā)展，變頻調速系統的性能也大大得到了提高。現在工業(yè)中應用的變頻器技術已經具有性能高、功能多及小型廉價等特點，由于變頻調速技術在煤礦提升機、鍋爐鼓引風機等方面的優(yōu)越表現，將其應用到煤礦運輸機方面已是勢在必行。本文說明把變頻器應用到煤礦運輸機系統的必要性，并以煤礦運輸機系統為例，討論變頻調速技術在這方面的應用。

2. 變頻調速技術的原理

2.1 變頻調速系統主要由變頻器主體、電抗器及輔助器件組成，各器件之間相互配合完成對電動機的速度控制、故障保護等功能。變頻器主體采用可控硅整流，并采用若干IGBT功率器件組成逆變器，由交流供電經上級饋電開關進入整流模塊，整流成直流，然后進濾波電容后進入IGBT把直流逆變?yōu)檫m當頻率、相位和電壓的交流電來給電機供電。

2.2 然而，根據異步電動機的轉速公式n=60flp（1s），可以看出當轉差率s一定時，電動機轉速n與電動機電流的頻率f1成正比。所以要想平滑地調節(jié)異步電動機的運行速度，只要連續(xù)地改變供電電源的頻率就可以。但當FI發(fā)生變化時電動機的其它參數也會相應的改變，其他參數一旦改變，電動機的運轉特性就會發(fā)生變化，這樣的結果就是得不到滿意的調速特性。要想解決這個問題，根據電機學的知識，需配合著調節(jié)定子電壓。由電機學異步電動機定子電壓平衡方程式：U1=EI+I121。

定子感應電勢的有效值為：E1 4.44flwlOmkwl。

f1：定子頻率；w1：定子的繞組系數；φm：主磁通；kwl：定子繞組串聯匝數；I1：定子電流；z1：定子等效阻抗。

忽略定子壓降，有：

UI≈EI=4.44flwlφmkwl∝c4flφm。

2.3 根據以上表述，當fI下降時，n下降，φm也下降。當U1不變時，則U1-E1增大，Im增加。一般電機工作在額定頻率時，磁路已經接近飽和，φm的增加會使電機的磁路過分飽和，導致Im急劇地增大。其后果是大大降低了電動機的功率因數和電動機的負載能力。由此分析可以看出，變頻調速技術的應用可以良好地解決這個問題，使電動機獲得滿意的調速特性。

3. 煤礦運輸機的特性

對運輸機運輸系統的研究表明，運輸負載特性是恒速負載。運輸機工作時，系統在不同的低速扭矩下速度幾乎是不發(fā)生變化的。在煤礦的整個生產過程，特別是在煤礦，材料的正常運送下，運輸機均勻性的特點是不變的，只是負載電阻在一定范圍內引起扭矩的變化。此外，整個生產過程中的運輸，輸送帶的速度幾乎是相同的。運輸模式，從操作的角度來看，是零功率，電源，或接近零功率，負電源。運輸長度幾公里到幾十米甚至幾十公里的長度短。此外，低速驅動系統也應該有其職能的經驗。在冬季也有一個長期低速運行的功能。因此，運輸機系統是一個非常復雜的的系統。變頻驅動系統，特別是矢量控制系統具有良好的高速性能和低長期運行。速度反饋可以預先給定的速度，扭矩是通過目前的監(jiān)測和控制的自動調節(jié)，甚至可以根據實際需要引進張力測量和控制過程，使整個交通系統更加穩(wěn)定可靠。

4. 煤礦運輸機的變頻調速應用分析

（1）運輸機系統是一個復雜的機械和電氣系統，重載高速，并在轉型過程中的啟動制動，運輸，傳送帶將有很大的動態(tài)張力，可能會導致全部或部分的皮帶滑動，導致傳動皮帶強大的表面和驅動滾筒墊磨損和熱量，使皮帶和輥之間的粘附系數降低，甚至難以啟動和運行。張力下移動的輸送帶，減少了安全系數，增加了負載張緊裝置，附加位移，并有很大的影響，甚至產生很大的機械損壞。

（2）運輸機的整體工作過程分為三個階段：初級階段決定所需的時問影響整個輸送帶的靜態(tài)電阻驅動滾筒階段實施，需要從過去的輥傳動滑輪的靜態(tài)電阻組反映回來的時間來決定；在起動的一瞬間，靜阻力變?yōu)閯幼枇Γ瑤Ф伍_始運動。在這個過程中，由于靜態(tài)到動態(tài)電阻的突變，使輸送帶產生振動，導致輸送帶截面內的動張力上升。起動過程中的運輸，皮帶張力初始張力的基礎上增加，在驅動滾筒的驅動器輸入的推動力傳送帶周圍的切入點，并促進返回輸送。運輸階段是由初級階段啟動到額定轉速，這個過程中的運輸機是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，因為使用的交流電機的特點，往往在輸送帶出發(fā)時，產生最大的過程中的動態(tài)張力。輸送帶是一個粘彈性體，在驅動力的作用下會產生粘彈性變形，由于不穩(wěn)定而產生動張力，同時輸送帶在起動前各部分的靜阻力各不相同，是一個逐級起動的過程。對輸送帶中的某一帶段來說，只有它兩端的拉力差大于它所受的靜阻力時，才會起動。當輸入的驅動力突變時，對輸送帶會產生沖擊，產生峰值張力，它和運輸機的長度，運行阻力，輸送帶的力學性質等因素有關。最有效的調整辦法是通過變頻驅動裝置改變驅動裝置的機械特性，使輸入平穩(wěn)變化，以消除峰值張力。

（3）在非穩(wěn)定運動狀態(tài)下，輸送帶除受靜張力作用之外，還受速度變化引起的附加動張力的作用。運輸機啟動后阻轉矩的大小與傳輸速度無關，屬于恒轉矩負載。當動張力與靜張力疊加在一起時，這種情況會引起驅動滾筒處運輸機張力的急劇增大，使運輸機的工況處于不穩(wěn)定狀態(tài)，甚至使輸送帶滾筒和電機及其它部件損壞，導致運輸機無法工作。加入變頻調速技術控制后的系統在電機運轉時，變頻系統具有的變頻調速裝置首先改變供電電壓的頻率使電機的啟動轉速特性改變，按照系統事先設定好的時間范圍慢慢由零轉速增大到運行速度，整個過程對電網無沖擊，啟動過程平穩(wěn)可靠，大大延長運輸機電機的使用壽命、減少運輸機系統機械部份的檢修工作任務量。使用中，重載平穩(wěn)起動效果明顯，本變頻調速系統還增加了速度調整功能，智能的根據運輸機上的煤炭的重量對運行速度進行調節(jié)，不管負荷大小都可智能的加以區(qū)分，并根據實際情況實現平穩(wěn)起動，將電機的起動和運輸機的起動合二為一，慢速起動電機，帶動運輸機緩慢起動，慢慢釋放皮帶內部貯存的能量，使運輸機在起動過程中產生的張力化解掉，這樣可對皮帶的損害降到最小。實踐證明，該系統投入實際運行后，整個運輸機系統的故障明顯減少，托輥及滾筒的壽命延長，并且實現了運輸機多電機驅動時的功率平衡。

5. 經濟效益

5.1 節(jié)約電能。

皮帶機電機功率為3×250kw，平均每天運行12h左右.原設計采用直接起動，起動后電機全速運行，而井下煤倉下煤量達不到皮帶運輸機的運輸能力，故皮帶上煤量不足，這樣很不經濟，浪費電能。使用變頻器對拖動電機進行變頻調速后，皮帶運輸機按實際需要功率出力，把變頻器輸出頻率設為39hz～40hz，電機轉速比工頻速度適當降低，就可以使皮帶運行速度與井下煤倉下煤量相匹配，同時降低了運行電壓和電流，減小電能消耗。據礦井統計，變頻調速運行比直接工頻運行可節(jié)約電能10%～15%。

5.2 節(jié)省維修費用。

原設計采用電機直接起動，不能調速，起動過程對電網、電機和傳動機械設備沖擊較大，加劇了機械設備的磨損，縮短了設備使用壽命，同時也縮短了設備維修周期，增加了停產檢修次數。直接起動也造成控制設備如真空接觸器、開關等的頻繁更換，這都增加了維修費用，停產檢修也造成煤炭產量的損失。而采用變頻器后，可以實現皮帶運輸機軟啟動，對電網和機械傳動設備基本無沖擊，大大延長設備使用壽命。自2008年10月投運至今近兩年，一直穩(wěn)定運行，除正常清潔維護外，沒有發(fā)生停產檢修故障，這無疑節(jié)約了維修成本又保證生產不受損失。

5.3 有效減少人力資源、降低了設備的維護量。

變頻器是一種電子器件的集成，它將機械的壽命轉化為電子的壽命，壽命很長，大大降低設備維護量。同時，利用變頻器的軟起動功能實現帶式輸送機的軟起動，起動過程中對機械基本無沖擊，也大大減少了皮帶機系統機械部份的檢修量。除正常清潔維護，沒有大量的維修工作，故不必配備許多設備維修人員。變頻器操作簡單方便，運行穩(wěn)定可靠，每班只需1人值班操作即可，節(jié)約了人力資源，相應也提高了生產效率[5]。

6. 結束語

（1）防爆變頻調速裝置投入運行后，我礦整個上倉強力輸送機系統及驅動電機的事故明顯下降，既延長了整個膠帶輸送機系統的使用壽命，同時又保證了正常生產和生產安全，經濟效益和社會效益明顯。

（2）總之，采用變頻調速技術改造后的傳統煤礦的運輸機電控系統，具有設備體積小、調速范圍大、調速特性好、無級調速、效率和功率因數高等優(yōu)點，具有明顯的節(jié)能降耗作用，還能夠創(chuàng)造巨大的經濟效益和社會效益。實踐證明，它不僅擁有較高的性價比，而且大大提高了皮帶機的可靠性，降低了機械系統損耗，同時減少了運輸系統的維護量，且節(jié)能明顯，在煤礦中值得推廣和應用。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2015）05-31-372